JP7322815B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックの冷却媒体循環系に設けられた温度センサによって取得された冷却媒体出口の温度が始動時に氷点下である場合に、冷却媒体出口の冷媒温度が予め設定した暖機終了温度を越えるまで燃料電池スタックの暖機運転を実行する燃料電池システムが知られている（たとえば、特許文献１）。

特開２０１７－１９５０２１号公報

燃料電池システムの暖機運転において、燃料電池スタックの温度のみが考慮されており、燃料電池システム全体の始動性という観点から更に改善する余地があり得た。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］
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、燃料電池と、前記燃料電池の温度である第一温度を取得する第一温度センサと、前記燃料電池の稼働に用いられる複数の補機と、前記複数の補機の少なくともいずれか一つの温度である第二温度を取得する第二温度センサと、前記複数の補機を制御して前記燃料電池の暖機運転を実行する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記第一温度が予め定められた第一閾温度未満となる第一条件を満たす場合には、前記複数の補機を制御して前記燃料電池のアノードにアノードガスを充填するアノードガス充填処理を実行してから前記暖機運転を実行する。前記制御装置は、前記第一温度が前記第一閾温度以上、かつ前記第二温度が予め定められた第二閾温度未満となる第二条件を満たす場合には、前記アノードガス充填処理を実行することなく前記暖機運転を実行する。

（１）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、燃料電池と、前記燃料電池の温度である第一温度を取得する第一温度センサと、前記燃料電池の稼働に用いられる複数の補機と、前記複数の補機の少なくともいずれか一つの温度である第二温度を取得する第二温度センサと、前記複数の補機を制御して前記燃料電池の暖機運転を実行する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記第一温度が予め定められた第一閾温度未満となる第一条件、または、前記第一温度が前記第一閾温度以上、かつ前記第二温度が予め定められた第二閾温度未満となる第二条件のいずれかを満たす場合に、前記暖機運転を実行してよい。この形態の燃料電池システムによれば、制御装置は、燃料電池の温度である第一温度が第一閾温度よりも大きい場合であっても、補機の温度である第二温度が第二閾温度未満となる場合には、暖機運転を実行する。燃料電池の温度が暖機運転を必要としない程度に高い場合であっても、補機の温度が低い場合には、暖機運転が実行される。したがって、補機の凍結を確実に抑制または防止し、燃料電池システム全体の始動性能を高くすることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第二温度は、前記複数の補機のうち、前記燃料電池システムが停止している期間において、前記燃料電池より低い温度を示す補機の温度であってよい。この形態の燃料電池システムによれば、暖機運転の開始条件に、燃料電池よりも低い温度を示す補機の温度を用いることにより、補機の凍結をより確実に抑制または防止することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記複数の補機は、前記燃料電池のカソードに供給されるカソードガスを冷却するためのインタークーラを含み、前記第二温度は、前記インタークーラの温度であってよい。この形態の燃料電池システムによれば、外気温の影響を受けやすい位置に配置されやすく、カソードガスの温度を取得するための温度センサを標準的に備える傾向にあるインタークーラの温度を第二温度として取得する。したがって、暖機運転の開始条件に用いるための温度センサを増設することなく、低温を示す補機の温度を取得することができ、効率良く暖機運転の必要性を判定することができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記第一条件を満たす場合には、前記複数の補機を制御して前記燃料電池のアノードにアノードガスを充填するアノードガス充填処理を実行してから前記暖機運転を実行し、前記第二条件を満たす場合には、前記アノードガス充填処理を実行することなく前記暖機運転を実行してよい。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が暖機運転を必要とする程度に低い場合にのみ、水素充填処理を実行することにより、不要な燃料ガスの消費を抑えることができる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記第二温度として、前記複数の補機のうち２以上の補機の温度を取得して前記暖機運転を実行する場合には、前記２以上の補機のすべての温度が予め定められた終了閾温度以上である場合に、前記暖機運転を終了してよい。この形態の燃料電池システムによれば、暖機運転の完了条件に複数の補機の温度を用いることにより、各補機で熱容量が異なる場合や、燃料電池からの距離が異なる場合のように、暖機運転による補機ごとの温度上昇の勾配が異なる場合であっても各補機を充分に昇温し、各補機の凍結を確実に抑制または防止することができる。

本開示は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムの制御方法、暖機運転の必要性判定方法、これらの方法を実現するためのコンピュータプログラム、かかるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体等の形態で実現可能である。

第１実施形態の燃料電池システムの構成を示す説明図。 制御装置が実行する始動処理を示すフロー図。 始動処理の一部を示すタイミングチャート。 第２実施形態の燃料電池システムによって実行される始動処理を示すフロー図。 第２実施形態の燃料電池システムが実行する始動処理の一部を示すタイミングチャート。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池２０を駆動源とする燃料電池車両に搭載される。燃料電池システム１００は、燃料電池２０の発電電力を利用して負荷ＬＤに含まれる各種のデバイスを駆動させる。燃料電池システム１００は、燃料電池２０、制御装置６０、酸化剤ガス給排系３０、燃料ガス給排系５０、冷媒循環系７０、を有する。燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池２０とともに負荷ＬＤに対する電力源として機能する二次電池を備えてよい。燃料電池システム１００は、燃料電池車両のほか、家庭用電源や定置発電などに用いられてもよい。

燃料電池２０は、電解質膜の両側にアノードとカソードとの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を有する複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２０は、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化ガスとしての空気とを反応ガスとして供給されて発電する固体高分子形燃料電池であり、その発電電力を用いて負荷ＬＤを駆動させる。負荷ＬＤとしては、例えば、燃料電池車両の駆動力を発生する駆動モータや、燃料電池車両内の空調のために用いられるヒータ等が含まれる。燃料電池２０は、固体高分子形に限らず、りん酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などの種々の方式の燃料電池であってよい。

制御装置６０は、論理演算を実行するマイクロプロセッサやＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリを備えるマイクロコンピュータで構成される。制御装置６０は、マイクロプロセッサがメモリ内に記憶されるプログラムを実行することにより、燃料電池２０の稼働に用いられる複数の補機の動作制御を含む燃料電池システム１００の種々の制御を実行する。「複数の補機」としては、例えば、酸化剤ガス給排系３０、燃料ガス給排系５０、並びに冷媒循環系７０に含まれている各バルブや、インジェクタ５４、気液分離器５７、エアコンプレッサ３３、インタークーラ３５、循環ポンプ５５、冷媒循環ポンプ７４等が含まれる。各補機は、燃料電池２０と熱的に結合されており、例えば、燃料電池２０の温度が上昇することにより各補機の温度も上昇し得る。燃料電池２０との熱的な結合は、例えば、冷媒循環系７０など冷媒を循環する冷却システムのほか、ヒートパイプやヒートポンプ、管路などの部材を介した燃料電池２０との接続、燃料電池２０と同一空間に配置されることなどによって実現することができる。なお、各バルブ、インジェクタ５４、エアコンプレッサ３３、循環ポンプ５５、冷媒循環ポンプ７４は、上述した負荷ＬＤに含まれてよい。

酸化剤ガス給排系３０は、カソードガス供給機能を有する酸化剤ガス供給系３０Ａと、カソードガス排出機能およびカソードガスバイパス機能を有する酸化剤ガス排出系３０Ｂと、を備える。カソードガス供給機能とは、燃料電池２０のカソードに、酸素を含む空気をカソードガスとして供給する機能を意味する。カソードガス排出機能とは、燃料電池２０のカソードから排出される排ガスであるカソードオフガスを外部に排出する機能を意味する。カソードガスバイパス機能とは、供給されるカソードガスの一部を、燃料電池２０に供給せず外部に排出する機能を意味する。

酸化剤ガス供給系３０Ａは、燃料電池２０のカソードに、カソードガスとしての空気を供給する。酸化剤ガス供給系３０Ａは、カソード供給配管３０２と、エアクリーナ３１と、エアコンプレッサ３３と、インタークーラ３５と、ＩＣ温度センサ３８と、入口弁３６と、を有する。

カソード供給配管３０２は、燃料電池２０のカソードの入口に接続される管路であり、燃料電池２０のカソードに対する空気の供給流路である。エアクリーナ３１は、カソード供給配管３０２のうちエアコンプレッサ３３よりも空気の導入口側（上流側）に設けられ、燃料電池２０に供給される空気中の異物を除去する。エアクリーナ３１よりも上流側には外気の温度を測定する外気温センサが設けられてよい。

エアコンプレッサ３３は、カソード供給配管３０２のうち燃料電池２０よりも上流側に設けられている。エアコンプレッサ３３は、エアクリーナ３１を通じて取り込んだ空気を圧縮してカソードに送り出す。エアコンプレッサ３３としては、例えばターボコンプレッサが用いられる。エアコンプレッサ３３の駆動は、制御装置６０によって制御される。

インタークーラ３５は、カソード供給配管３０２のうちエアコンプレッサ３３と、燃料電池２０との間に設けられている。インタークーラ３５は、エアコンプレッサ３３によって圧縮されて高温となったカソードガスを冷却する。インタークーラ３５によるカソードガスの冷却方法としては、例えば、インタークーラ３５に冷媒を循環させることによって実現することができる。冷媒循環路７９から分岐させた管路をインタークーラ３５に接続して、冷媒循環系７０の冷媒をインタークーラ３５に循環させることによってカソードガスが冷却されてもよい。ＩＣ温度センサ３８は、インタークーラ３５の温度を取得する。インタークーラ３５は、一般に、外気の導入口の近傍に備えられるので、外気温の影響を受けることにより温度が低下しやすく、また、燃料電池２０に導入されるカソードガスの温度を取得するためにＩＣ温度センサ３８を標準的に備える傾向にある。本実施形態において、インタークーラ３５は、燃料電池システム１００が停止している期間において燃料電池２０よりも低い温度を示し、燃料電池システム１００が有する複数の補機のうち、最も低い温度を示す。「複数の補機のうち燃料電池２０よりも低い温度を示す補機」とは、燃料電池２０と熱的に結合される補機であって、燃料電池システム１００が直接的または間接的に温度を取得できる補機のうち、取得される温度が燃料電池２０よりも低い傾向を示す補機を意味する。「複数の補機のうち最も低い温度を示す補機」とは、燃料電池２０と熱的に結合される補機であって、燃料電池システム１００が直接的または間接的に温度を取得できる補機のうち、取得される温度が最も低い傾向を示す補機を意味する。補機の温度を、以下「第二温度」とも呼び、補機の温度を取得する温度センサを、以下「第二温度センサ」とも呼ぶ。インタークーラ３５の温度は第二温度に該当し、ＩＣ温度センサ３８は第二温度センサに該当する。第二温度を取得する対象の補機は、例えば、試験などの結果に基づいて予め設定されてよく、燃料電池システム１００の取得した補機の温度に基づいて適宜に変更されてもよい。補機の温度とは、補機自体の温度には限定されず、補機近傍の温度を用いて間接的に取得される補機の温度であってよく、補機以外の温度を用いて算出される補機の温度の推定値であってよい。例えば、インタークーラ３５の温度は、インタークーラ３５自体の温度に限らず、インタークーラ３５内部を流通する空気の温度やインタークーラ３５近傍のカソード供給配管３０２の温度を用いてもよく、これらの温度を用いて算出されるインタークーラ３５の温度の推定値であってもよい。補機の温度が例えば氷点未満である場合には、補機や補機内の液水の凍結により燃料電池２０の始動に影響を与え得る。ＩＣ温度センサ３８によるインタークーラ３５の温度の計測結果は、制御装置６０に送信される。

入口弁３６は、燃料電池２０のカソードへのカソードガスの流入を制御する。入口弁３６は、予め定められた圧力のカソードガスが流入したときに機械的に開く開閉弁である。

酸化剤ガス排出系３０Ｂは、カソードオフガス排出機能を有し、排ガス配管３０６と、バイパス配管３０８と、を備える。排ガス配管３０６は、燃料電池２０のカソードの出口に接続されるカソードオフガスの排出流路である。排ガス配管３０６は、カソードオフガスを含む燃料電池２０の排ガスを大気中に導く。排ガス配管３０６から大気中に排出される排ガスには、カソードオフガスの他に、アノードオフガスや、バイパス配管３０８から流出した空気が含まれる。

排ガス配管３０６には、出口弁３７が設けられている。出口弁３７は、排ガス配管３０６のうちバイパス配管３０８との接続位置よりも燃料電池２０側に配置されている。出口弁３７としては、例えば、電磁弁や電動弁を用いることができる。制御装置６０は、出口弁３７の開度を調整することによって、燃料電池２０のカソードの背圧を調整する。

バイパス配管３０８は、燃料電池２０を経由することなく、カソード供給配管３０２と排ガス配管３０６とを接続する管路である。バイパス配管３０８には、バイパス弁３９が設けられている。バイパス弁３９としては、例えば電磁弁や電動弁を用いることができる。バイパス弁３９が開かれると、カソード供給配管３０２を流れるカソードガスの一部は、排ガス配管３０６に流入する。制御装置６０は、バイパス弁３９の開度を調整することによって、バイパス配管３０８に流入するカソードガスの流量を調整する。

燃料ガス給排系５０は、アノードガス供給機能を有する燃料ガス供給系５０Ａと、アノードガス排出機能を有する燃料ガス排出系５０Ｃと、アノードガス循環機能を有する燃料ガス循環系５０Ｂと、を備える。アノードガス供給機能とは、燃料電池２０のアノードに、燃料ガスを含むアノードガスを供給する機能を意味する。アノードガス排出機能とは、燃料電池２０のアノードから排出される排ガスであるアノードオフガスを外部に排出する機能を意味する。アノードガス循環機能とは、アノードオフガスに含まれる水素を燃料電池システム１００内において循環させる機能を意味する。

燃料ガス供給系５０Ａは、燃料電池２０のアノードに水素を含むアノードガスを供給する。燃料ガス供給系５０Ａは、アノード供給配管５０１と、燃料ガスタンク５１と、開閉弁５２と、レギュレータ５３と、インジェクタ５４と、を備えている。

アノード供給配管５０１は、水素の供給源である燃料ガスタンク５１と燃料電池２０のアノードの入口とを接続し、燃料電池２０にアノードガスを供給する管路である。開閉弁５２は、アノード供給配管５０１において燃料ガスタンク５１の出口近傍に設けられている。開閉弁５２は、主止弁とも呼ばれ、開弁状態において燃料ガスタンク５１の水素を下流側へと流通させる。レギュレータ５３は、アノード供給配管５０１において開閉弁５２よりも燃料電池２０側（下流側）に設けられている。レギュレータ５３は、制御装置６０の制御によって、インジェクタ５４よりも上流側における水素の圧力を調整する。

インジェクタ５４は、アノード供給配管５０１においてレギュレータ５３の下流側に設けられている。インジェクタ５４は、制御装置６０によって制御され、設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁である。インジェクタ５４は、燃料電池２０に供給するアノードガスの水素量を調整する。

燃料ガス循環系５０Ｂは、燃料電池２０のアノードから排出されるアノードオフガスを、液体成分を分離したうえでアノード供給配管５０１に循環させる。燃料ガス循環系５０Ｂは、アノード循環配管５０２と、気液分離器５７と、循環ポンプ５５と、分離器温度センサ５９と、を有する。

アノード循環配管５０２は、燃料電池２０のアノード出口とアノード供給配管５０１とに接続され、アノードから排出されるアノードオフガスをアノード供給配管５０１へと導く。気液分離器５７は、アノード循環配管５０２に設けられ、アノードオフガスから水蒸気を含む液体成分を分離して貯留する。循環ポンプ５５は、アノード循環配管５０２において、気液分離器５７と、アノード供給配管５０１との間に設けられている。循環ポンプ５５は、気液分離器５７に流入したアノードオフガスをアノード供給配管５０１へと送り出す。分離器温度センサ５９は、補機としての気液分離器５７の温度を取得する。気液分離器５７の温度は、「第二温度」に該当し、分離器温度センサ５９は、「第二温度センサ」に該当する。分離器温度センサ５９による計測結果は、制御装置６０に送信される。分離器温度センサ５９は、例えば、気液分離器５７に取り付けられて気液分離器５７の温度を直接的に取得してよく、気液分離器５７近傍のアノード循環配管５０２やアノード排出配管５０４に設けられ、アノードガスや配管の温度を用いて気液分離器５７の温度を算出することにより間接的に気液分離器５７の温度を取得してもよい。分離器温度センサ５９は、後述する始動処理に用いられない場合には、備えられなくともよい。

燃料ガス排出系５０Ｃは、アノードオフガスや気液分離器５７に貯留された液水を排ガス配管３０６へと排出する。燃料ガス排出系５０Ｃは、アノード排出配管５０４と、排気排水弁５８と、を有する。アノード排出配管５０４は、気液分離器５７の排出口と、排ガス配管３０６とを接続する管路であり、気液分離器５７からの排水と、気液分離器５７内を通過するアノードオフガスの一部とを燃料ガス給排系５０から排出する。排気排水弁５８は、アノード排出配管５０４に設けられ、アノード排出配管５０４の流路を開閉する。排気排水弁５８としては、例えば、ダイヤフラム弁を用いることができる。排気排水弁５８が開かれると、気液分離器５７に貯留された液水とアノードオフガスとが、排ガス配管３０６を通じて大気中へ排出される。

冷媒循環系７０は、燃料電池２０に冷媒を循環させて、燃料電池２０の温度を調節する。冷媒としては、例えば、エチレングリコールなどの不凍液や水などが用いられる。冷媒循環系７０は、冷媒循環路７９と、冷媒循環ポンプ７４と、ラジエータ７１と、ラジエータファン７２と、燃料電池温度センサ７３とを備える。

冷媒循環路７９は、燃料電池２０に冷媒を供給するための冷媒供給路７９Ａと、燃料電池２０から冷媒を排出するための冷媒排出路７９Ｂとを有する。冷媒循環ポンプ７４は、冷媒供給路７９Ａの冷媒を燃料電池２０へ送り出す。ラジエータ７１は、ラジエータファン７２からの風を受けて放熱し、内部を流通する冷媒を冷却する。

燃料電池温度センサ７３は、燃料電池２０の温度を取得する。燃料電池２０の温度とは、燃料電池２０自体の温度には限定されず、燃料電池２０近傍の補機や管路の温度や、計算値など燃料電池２０の温度の推定値を含む。本実施形態では、燃料電池温度センサ７３は、燃料電池２０の温度として、冷媒排出路７９Ｂ内の冷媒の温度を取得する。燃料電池２０の温度を「第一温度」とも呼び、燃料電池２０の温度を取得する燃料電池温度センサ７３を「第一温度センサ」とも呼ぶ。燃料電池温度センサ７３による計測結果は、制御装置６０に送信される。

図２は、制御装置６０が実行する始動処理を示すフロー図である。始動処理は、例えば、燃料電池車両のスタートスイッチが押し下げられる等の起動操作によって燃料電池システム１００の運転開始が指令されたときに制御装置６０によって実行される。制御装置６０は、始動処理の開始とともに、燃料電池２０を稼働して発電を開始する。より具体的には、制御装置６０は、酸化剤ガス給排系３０および燃料ガス給排系５０の各補機を制御することによって、燃料電池２０に対する反応ガスの給排を開始するとともに、冷媒循環系７０の各補機を制御して燃料電池２０の温度制御を開始する。

制御装置６０は、第一温度Ｔ１としての燃料電池２０の温度を取得する（ステップＳ１０）。制御装置６０は、燃料電池温度センサ７３によって取得される冷媒排出路７９Ｂ内の冷媒の温度を、第一温度Ｔ１として取得する。制御装置６０は、取得した第一温度Ｔ１を用いて、暖機運転の開始条件である第一条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳ１２）。本実施形態では、制御装置６０は、燃料電池温度センサ７３の計測値が暖機運転に必要な温度として予め定められる温度（以下、「第一閾温度ＴＡ」とも呼ぶ）未満である場合に、第一条件を満たしていると判定する。本実施形態において、第一閾温度ＴＡは、氷点で設定されている。第一閾温度ＴＡは、燃料電池２０の稼働に用いられる各補機や燃料電池２０を正常に始動するために充分な温度を用いて任意に設定することができる。第一閾温度ＴＡは、例えば、氷点近傍であることが好ましい。燃料電池２０が氷点未満であっても正常に始動できる場合には、第一閾温度ＴＡは、氷点よりも低い温度で設定されてもよい。第一閾温度ＴＡは、氷点より高い温度で設定されてもよい。

制御装置６０は、第一条件を満たしていると判定すると（Ｓ１２：ＹＥＳ）、水素充填処理を実行する（ステップＳ１３）。「水素充填処理」とは、水素ガスをアノードに導入してアノードに存在する不純物を含む混合ガスを排出しつつ、燃料電池２０の発電に十分な水素ガスをアノードに充填するための処理である。水素充填処理は、「アノードガス充填処理」や「水素置換処理」とも呼ばれる。例えば、燃料電池２０の温度が暖機運転を必要とする程度に低い場合には、アノード供給配管５０１やアノード循環配管５０２などの燃料ガスの流路が凍結して燃料ガスの循環が妨げられやすい。そのため、水素充填処理は、低温環境で実行されることが好ましく、暖機運転を必要とする程度に燃料電池２０の温度が低い環境で実行されることがより好ましい。制御装置６０は、排気排水弁５８を開弁してアノードから混合ガスを排出しつつ、開閉弁５２やインジェクタ５４等を制御してアノードに水素を供給する。制御装置６０は、排気排水弁５８を閉弁して水素充填処理を完了する。燃料電池２０の温度が例えば氷点よりも大きい場合など、燃料電池２０に充分に燃料ガスが供給可能である場合には、水素充填処理は省略されてもよい。

水素充填処理を完了すると、制御装置６０は、暖機運転を実行する（ステップＳ１４）。より具体的には、制御装置６０は、燃料電池２０に供給される酸化ガスのストイキ比が、通常運転でのストイキ比よりも小さくなるように酸化剤ガス給排系３０と燃料ガス給排系５０とを制御する。「酸化ガスのストイキ比」とは、要求発電電力を発電するために必要な酸化ガスの量の理論値に対する実際の酸化ガスの供給量の比を意味する。この制御によって、カソードでの濃度過電圧が増大し、燃料電池２０の発電効率が低下するため、燃料電池２０の発熱量が通常運転時よりも増大し、燃料電池２０の昇温速度を高めることができる。暖機運転における酸化ガスのストイキ比としては、例えば、１．０程度で設定することができる。制御装置６０は、暖機運転用のストイキ比で反応ガスを燃料電池２０に供給しつつ、燃料電池２０の電流を制御して燃料電池２０を目標の発熱量で発熱するように発電させる。制御装置６０は、現在の外気温や第一温度、ならびに第二温度が低いほど、目標発熱量を大きい値に設定してよい。

制御装置６０は、第一温度Ｔ１を取得し（ステップＳ１６）、予め定められた暖機完了条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳ１８）。より具体的には、制御装置６０は、第一温度Ｔ１が予め定められる第一終了閾温度ＴＡｅ以上である場合に暖機完了条件を満たしていると判定する。第一終了閾温度ＴＡｅは、例えば、氷点以上など、燃料電池２０の始動性能を低下させない程度の温度で設定されることが好ましい。第一終了閾温度ＴＡｅは、例えば、第一閾温度ＴＡと同じ温度で設定してよく、第一閾温度ＴＡよりも大きい温度で設定してよい。暖機完了条件は、例えば、目標発熱量から求められる暖機完了時間が経過したときに満たされるものとしてもよい。

制御装置６０は、第一温度Ｔ１が第一終了閾温度ＴＡｅ以上と判定すると（Ｓ１８：ＹＥＳ）、暖機運転を完了して始動処理を終了し、燃料電池２０の通常運転を開始する。暖機完了条件が満たされていない場合（Ｓ１８：ＮＯ）、制御装置６０は、ステップＳ１４に戻り、暖機完了条件が満たされるまで暖機運転を継続する。

ステップＳ１２において、第一条件が満たされていない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、制御装置６０は、第二温度Ｔ２を取得する（ステップＳ２０）。本実施形態において、制御装置６０は、燃料電池システム１００が有する複数の補機のうち最も低い温度を示す補機の温度として、インタークーラ３５の温度を第二温度Ｔ２として取得する。例えば、燃料電池システム１００が有する複数の補機のうち、インタークーラ３５以外の補機が最も低い温度を示す場合には、当該補機の温度を第二温度Ｔ２として用いてもよい。

制御装置６０は、第二温度Ｔ２を用いて、暖機運転の開始条件である第二条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳ２２）。本実施形態では、制御装置６０は、ＩＣ温度センサ３８の計測値が、予め定められる温度（以下、「第二閾温度ＴＢ」とも呼ぶ）未満である場合に、第二条件を満たしていると判定する。第二閾温度ＴＢは、第一閾温度ＴＡと同様、氷点で設定されている。第二閾温度ＴＢは、燃料電池２０の稼働に用いられる各補機を正常に始動するために充分な任意の温度で設定されることが好ましい。第二閾温度ＴＢは、各補機の始動性能に応じて、第一閾温度ＴＡや氷点よりも低い温度で設定されてもよく、第一閾温度ＴＡや氷点より高い温度で設定されてもよい。

制御装置６０は、第二条件を満たしていると判定すると（Ｓ２２：ＹＥＳ）、暖機運転を実行する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４の暖機運転は、ステップＳ１４の暖機運転と同様の条件で実行されてよく、ステップＳ１４とは異なる条件で実行されてよい。異なる条件の暖機運転としては、例えば、急速暖機における発熱量が異なる暖機運転、冷媒の循環量や冷媒の循環経路が異なる暖機運転など種々のものが採用可能である。どのような暖機運転とするかは、補機の特性、燃料電池２０と補機との距離や配置関係、燃料電池２０との熱的な結合の状態などの種々の条件によって決定することができる。補機の特性として、例えば、補機の熱容量に基づいて、燃料電池２０の目標発熱量がステップＳ１４とは異なる目標値で設定されてもよい。第二条件を満たしていない場合（Ｓ２２：ＮＯ）、制御装置６０は、暖機運転を実行することなく、本フローを終了し、通常運転を開始する。

制御装置６０は、暖機運転を開始して一定時間を経過すると第二温度Ｔ２を取得し（ステップＳ２６）、予め定められた暖機完了条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳ２８）。より具体的には、制御装置６０は、第二温度Ｔ２が予め定められた第二終了閾温度ＴＢｅ以上である場合に暖機完了条件を満たしていると判定する。
第二終了閾温度ＴＢｅは、例えば、氷点以上など、燃料電池システム１００が有する各補機の始動性能を低下させない程度の温度で設定されることが好ましい。第二終了閾温度ＴＢｅは、例えば、第二閾温度ＴＢや第一終了閾温度ＴＡｅと同じ温度で設定してよく、第二閾温度ＴＢや第一終了閾温度ＴＡｅよりも大きい温度で設定してよい。暖機完了条件は、例えば、目標発熱量から求められる暖機完了時間が経過したときに満たされるものとしてもよい。制御装置６０は、第二温度Ｔ２が第二終了閾温度ＴＢｅ以上と判定すると（Ｓ２８：ＹＥＳ）、暖機運転を完了して本フローを終了し、燃料電池２０の通常運転を開始する。暖機完了条件が満たされていない場合（Ｓ２８：ＮＯ）、制御装置６０は、ステップＳ２４に戻り、暖機完了条件が満たされるまで暖機運転を継続する。

図３は、制御装置６０が実行する始動処理の一部を示すタイミングチャートである。図３には、最上段から順に、第一温度Ｔ１としての燃料電池２０の温度、第二温度Ｔ２としてのインタークーラ３５の温度、ならびに制御装置６０が実行する暖機運転のオン・オフの制御が示されている。横軸は時間軸であり、各項目の時間軸は互いに一致している。図３に示す時間ＴＭ０は、始動処理の開始時点を意味する。時間ＴＭ０からＴＭ１までの間、第一温度Ｔ１は、第一閾温度ＴＡよりも大きい温度Ｔ１ｓであり、第二温度Ｔ２は、第二閾温度ＴＢよりも小さい温度Ｔ２ｓである。

制御装置６０は、始動処理の開始とともに燃料電池２０の発電を開始し、時間ＴＭ１において、第一温度Ｔ１を取得する。第一温度Ｔ１は、第一閾温度ＴＡよりも大きい温度Ｔ１ｓであり、第一条件を満たさない。そのため、制御装置６０は、第二温度Ｔ２を取得し、第二条件を満たしているか否かを判定する。第二温度Ｔ２は、第二閾温度ＴＢ未満である温度Ｔ２ｓであり、第二条件を満たす。したがって、制御装置６０は、暖機運転を開始する。暖機運転の開始により、時間ＴＭ１以降、燃料電池２０の温度は上昇する。インタークーラ３５の温度は、燃料電池２０からの伝熱により上昇し、時間ＴＭ２において、第二終了閾温度ＴＢｅに到達する。制御装置６０は、暖機完了条件を満たしていると判定し、暖機運転を完了する。

以上、説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、燃料電池２０の温度である第一温度Ｔ１が第一閾温度ＴＡよりも大きい場合であっても、補機の温度である第二温度Ｔ２が第二閾温度ＴＢ未満となる場合には、暖機運転を実行する。燃料電池２０の温度が暖機運転を必要としない程度に高い場合であっても、補機の温度が暖機運転を必要とする程度に低いと判定する場合には、暖機運転が実行される。したがって、補機の凍結を確実に抑制または防止し、燃料電池システム１００全体の始動性能を高くすることができる。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、燃料電池システム１００が停止している期間において燃料電池２０よりも低い温度を示す補機の温度を第二温度Ｔ２として取得する。暖機運転の開始条件に、燃料電池２０よりも低い温度を示す補機の温度を用いることにより、補機の凍結をより確実に抑制または防止することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、燃料電池システム１００が停止している期間において最も低い温度を示す補機の温度を第二温度Ｔ２として取得する。したがって、他の補機の温度を暖機運転の開始条件に用いることなく、効率良く暖機運転の必要性を判定することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、インタークーラ３５の温度を第二温度Ｔ２として用いる。インタークーラ３５は、一般に、外気温の影響を受けやすい位置に配置されやすく、カソードガスの温度を取得するためにＩＣ温度センサ３８を標準的に備える傾向にある。したがって、暖機運転の開始条件に用いるための温度センサを増設することなく、低温を示す補機の温度を取得することができ、効率良く暖機運転の必要性を判定することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、第一条件を満たす場合には、水素充填処理を実行してから暖機運転を実行し、第二条件を満たす場合には、水素充填処理を実行することなく暖機運転を実行する。燃料電池２０の温度が暖機運転を必要とする程度に低い場合にのみ、水素充填処理を実行することにより、不要な燃料ガスの消費を抑えることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、本開示の第２実施形態の燃料電池システム１００によって実行される始動処理を示すフロー図である。第２実施形態の燃料電池システム１００では、制御装置６０によって実行される始動処理の一部が第１実施形態とは異なる。より具体的には、本実施形態の燃料電池システム１００によって実行される始動処理は、第１実施形態として示したステップＳ２０からステップＳ２８に代えて、ステップＳ３０からステップＳ３８を備える。燃料電池システム１００のそれ以外の構成は、第１実施形態と同様である。

制御装置６０は、第１実施形態と同様、第一温度Ｔ１としての燃料電池２０の温度を取得し（ステップＳ１０）、第一条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳ１２）。第一条件が満たされていない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、制御装置６０は、第二温度Ｔ２１としてのインタークーラ３５の温度と、さらに、第二温度Ｔ２２としての気液分離器５７の温度とを取得する（ステップＳ３０）。すなわち、本実施形態において、制御装置６０は、第二温度として、２以上の補機の温度を取得する。制御装置６０は、取得した第二温度Ｔ２１，Ｔ２２を用いて、第二条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ３２）。本実施形態では、第二閾温度は、第二温度Ｔ２１に対応する第二閾温度ＴＢ１と、第二温度Ｔ２２に対応する第二閾温度ＴＢ２とを設定されている。制御装置６０は、取得した第二温度Ｔ２１が第二閾温度ＴＢ１未満である場合、または第二温度Ｔ２２が第二閾温度ＴＢ２未満である場合のうち少なくともいずれか一方が満たされる場合に、第二条件を満たすと判定する。暖機運転の開始条件の判定に複数の補機の温度が必要でなければ、ステップＳ３０，Ｓ３２において、インタークーラ３５の温度と、気液分離器５７の温度とのいずれかの温度のみを用いる等、複数の補機のうち一つの補機の温度のみを用いてよい。

制御装置６０は、第二条件を満たしていると判定すると（Ｓ３２：ＹＥＳ）、ステップＳ１４やステップＳ２４と同様の条件により暖機運転を実行する（ステップＳ３４）。第二条件が満たされていない場合（Ｓ３２：ＮＯ）、制御装置６０は、暖機運転を実行することなく、本フローを終了し、通常運転を開始する。

制御装置６０は、暖機運転を開始して一定時間を経過すると第二温度Ｔ２１，Ｔ２２を取得し（ステップＳ３６）、暖機完了条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳ３８）。本実施形態において、制御装置６０は、２以上の補機のすべての温度が予め定められた第二終了閾温度を越えた場合に暖機完了条件を満たすと判定する。より具体的には、第二終了閾温度は、第二温度Ｔ２１に対応する第二終了閾温度ＴＢｅ１と、第二温度Ｔ２２に対応する第二終了閾温度ＴＢｅ２とを設定されている。制御装置６０は、第二温度Ｔ２１が第二終了閾温度ＴＢｅ１よりも大きく、かつ第二温度Ｔ２２が第二終了閾温度ＴＢｅ２よりも大きい場合に、暖機完了条件を満たしていると判定する。第二終了閾温度ＴＢｅ１と、第二終了閾温度ＴＢｅ２とは、各補機の熱容量や各補機と燃料電池２０との距離や配置関係、燃料電池２０との熱的な結合の状態などの種々の条件に基づいて互いに異なる温度で設定されてよく、同一の温度で設定されてもよい。制御装置６０は、暖機完了条件を満たしていると判定すると（Ｓ３８：ＹＥＳ）、暖機運転を完了して本フローを終了し、燃料電池２０の通常運転を開始する。暖機完了条件が満たされていない場合（Ｓ３８：ＮＯ）、制御装置６０は、ステップＳ３４に戻り、暖機完了条件が満たされるまで暖機運転を継続する。

図５は、第２実施形態としての燃料電池システム１００が実行する始動処理の一部を示すタイミングチャートである。図５には、最上段から順に、第一温度Ｔ１としての燃料電池２０の温度、第二温度Ｔ２１としてのインタークーラ３５の温度、第二温度Ｔ２２としての気液分離器５７の温度、ならびに制御装置６０が実行する暖機運転のオン・オフの制御が示されている。始動処理の開始時点である時間ＴＭ０から時間ＴＭ１までの間、第二温度Ｔ２１は、第二閾温度ＴＢ１よりも小さい温度Ｔ２１ｓであり、第二温度Ｔ２２は、第二閾温度ＴＢ２よりも大きい温度Ｔ２２ｓである。

時間ＴＭ１時点において、第二温度Ｔ２２が第二閾温度ＴＢ２以上であるものの、第二温度Ｔ２１が第二閾温度ＴＢ１よりも小さい。そのため、制御装置６０は、第二条件を満たすと判定し、暖機運転を開始する。暖機運転の開始により、燃料電池２０の温度上昇とともに燃料電池２０からの伝熱を受けてインタークーラ３５および気液分離器５７の温度は上昇する。時間ＴＭ３において、第二温度Ｔ２１は第二終了閾温度ＴＢｅ１以上であり、かつ第二温度Ｔ２２は第二終了閾温度ＴＢｅ２に到達する。したがって、制御装置６０は、暖機完了条件を満たすと判定し、暖機運転を終了する。

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御装置６０は、第二温度Ｔ２１，Ｔ２２として、２以上の補機の温度を取得し、各補機の温度が予め定められた第二終了閾温度ＴＢｅ１，ＴＢｅ２以上となった場合に、暖機運転を終了する。暖機運転の完了条件に複数の補機の温度を用いることにより、各補機で熱容量が異なる場合や、燃料電池２０からの距離が異なる場合のように、暖機運転による補機ごとの温度上昇の勾配が異なる場合であっても各補機を充分に昇温し、各補機の凍結を確実に抑制または防止することができる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上記第１実施形態では、暖機運転の開始条件には、複数の補機のうち、燃料電池システム１００の停止期間中に最も低い温度を示す補機としてインタークーラ３５の温度が第二温度Ｔ２として用いられる。これに対して、第二温度には、燃料電池システム１００が有する複数の補機のうち、熱容量が最も大きい補機の温度が用いられる等、燃料電池システム１００の停止期間中に燃料電池２０よりも低い温度を示す補機以外の補機の温度が第二温度として用いられてもよく、また、最も低い温度を示す補機以外の補機の温度が第二温度として用いられてもよい。この形態の燃料電池システム１００によれば、暖機運転により温度が上昇しにくい補機に基づいて暖機運転の開始条件と完了条件とを判定することにより、暖機運転の完了時に各補機の温度を充分に上昇させることができ、より確実に補機の凍結を抑制または防止することができる。

（Ｃ２）上記第２実施形態において、制御装置６０は、２以上の補機のすべての温度が予め定められた第二終了閾温度を越えた場合に暖機完了条件を満たすと判定する。これに対して、制御装置６０は、複数の補機のうち２以上の補機の温度を取得して暖機運転を実行する場合において、暖機完了条件を満たすか否かを判定するために、例えば、取得した２以上の補機の温度を任意に組み合わせて用いてもよい。組み合わせとしては、例えば、以下の１）から４）を採用することができる。
１）最も低い温度を示す補機等、いずれか１つの補機の温度
２）予め設定される任意の複数の補機の温度
３）すべての補機の温度
４）取得した補機の温度の平均値

（Ｃ３）上記各実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。

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の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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。

２０…燃料電池、２１…燃料電池セル、３０…酸化剤ガス給排系、３１…エアクリーナ、３３…エアコンプレッサ、３５…インタークーラ、３６…入口弁、３７…出口弁、３８…ＩＣ温度センサ、３９…バイパス弁、５０…燃料ガス給排系、５１…燃料ガスタンク、５２…開閉弁、５３…レギュレータ、５４…インジェクタ、５５…循環ポンプ、５７…気液分離器、５８…排気排水弁、５９…分離器温度センサ、６０…制御装置、７０…冷媒循環系、７１…ラジエータ、７２…ラジエータファン、７３…燃料電池温度センサ、７４…冷媒循環ポンプ、７５…モータ、７９…冷媒循環路、１００…燃料電池システム、３０２…カソード供給配管、３０６…排ガス配管、３０８…バイパス配管、５０１…アノード供給配管、５０２…アノード循環配管、５０４…アノード排出配管、ＬＤ…負荷

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池の温度である第一温度を取得する第一温度センサと、
   前記燃料電池の稼働に用いられる複数の補機と、
   前記複数の補機の少なくともいずれか一つの温度である第二温度を取得する第二温度センサと、
   前記複数の補機を制御して前記燃料電池の暖機運転を実行する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記第一温度が予め定められた第一閾温度未満となる第一条件を満たす場合には、前記複数の補機を制御して前記燃料電池のアノードにアノードガスを充填するアノードガス充填処理を実行してから前記暖機運転を実行し、
   前記第一温度が前記第一閾温度以上、かつ前記第二温度が予め定められた第二閾温度未満となる第二条件を満たす場合には、前記アノードガス充填処理を実行することなく前記暖機運転を実行する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記第二温度は、前記複数の補機のうち、前記燃料電池システムが停止している期間において、前記燃料電池より低い温度を示す補機の温度である、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記複数の補機は、前記燃料電池のカソードに供給されるカソードガスを冷却するためのインタークーラを含み、
   前記第二温度は、前記インタークーラの温度である、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記第二温度として、前記複数の補機のうち２以上の補機の温度を取得して前記暖機運転を実行する場合には、
   前記２以上の補機の温度を用いて前記暖機運転を終了するか否かを判定する、
   燃料電池システム。

Images