(57)【要約】【課題】低温起動時における燃料電池システムの暖機時間を短縮する。【解決手段】熱媒体を燃料電池１に供給する循環手段１５と、燃料電池１に供給する熱媒体の流量を制御する流量制御手段８と、燃料電池１の発電電力を検知する電力検知手段８と、を備える燃料電池システムであって、燃料電池１の発電電力が予め設定した目標発電電力に到達したときに、流量制御手段８は熱媒体の流量を到達前よりも増加させることで燃料電池１の自己発熱量の低下を防止する。【選択図】図１
2010123493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を燃料電池に供給する循環手段と、
前記燃料電池に供給する熱媒体の流量を制御する流量制御手段と、
前記燃料電池の発電電力を検知する電力検知手段と、
を備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の発電電力が予め設定した目標発電電力に到達したときに、前記熱媒体の流量を到達前の流量に対して増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の総電圧を検知する総電圧検知手段をさらに備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の総電圧を所定値に維持するように前記熱媒体の流量の増加量を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。
【請求項３】
前記流量制御手段は、前記熱媒体の流量の増加量を、予め設定した目標総電圧と前記総電圧検知手段で検知した実総電圧との差が大きいほど大きく、前記目標総電圧と前記実総電圧との差が小さいほど小さく設定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池へ流入する前記熱媒体の温度を検知する温度検知手段をさらに備え、
前記流量制御手段は、前記熱媒体の流量の増加量を、前記熱媒体の温度が高いほど大きく設定し、前記熱媒体の温度が低いほど小さく設定することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の起動時における温度を検知する手段をさらに備え、
前記流量制御手段は、前記燃料電池の起動時における温度が低いほど初期流量を小さく設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流量制御手段は、前記燃料電池の発電電力が前記目標発電電力以下の場合には、前記熱媒体の流量を前記初期流量に対して減少させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記流量制御手段は、前記熱媒体の流量の減少量を、前記燃料電池の発電電力と前記目標発電電力との差が大きいほど大きく、前記燃料電池の発電電力と前記目標発電電力との差が小さいほど小さく設定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記流量制御手段は、前記熱媒体の流量の減少量を、前記燃料電池へ流入する熱媒体の温度が低いほど大きく、前記燃料電池へ流入する熱媒体の温度が高いほど小さく設定することを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に低温起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、始動性の向上、すなわち起動時間の短縮が課題となっている。特に、低温環境下での起動時（以下、「低温起動時」という）における暖機時間の短縮は大きな課題であり、種々の方策が検討されている。例えば、低温起動から所定期間は冷却水を流さないようにすることで、発電に伴う自己発熱により発生した熱が冷却水に放熱されてしまうことを防止し、暖機を促進する構成が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００７−７３３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、起動から所定期間は冷却水がシステム内を循環しないため、発電電力が目標電力（通常運転時の電力）に達した後も燃料電池の温度が上昇し続けるおそれがある。この場合、燃料電池の温度上昇に伴って発電効率が上昇することにより自己発熱量が低下してしまう。そして、所定期間が経過して冷却水を流し始めると、燃料電池スタックの温度が低下することにより発電電力が目標電力より低下して、自己発熱量がさらに低下してしまう。このため、暖機終了までの時間が長くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明では、低温起動時における燃料電池システムの暖機時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、熱媒体を燃料電池に供給する循環手段と、燃料電池に供給する熱媒体の流量を制御する流量制御手段と、燃料電池の発電電力を検知する電力検知手段とを備える。そして、流量制御手段は、燃料電池の発電電力が予め設定した目標発電電力に到達したときに、熱媒体の流量を到達前の流量に対して増加させる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、発電電力が目標発電電力に到達したときに熱媒体の流量を増加させることで、目標電力に到達した後の燃料電池温度の上昇を抑制できるので、自己発熱量の低下を抑制することができ、結果として暖機時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、第１実施形態を適用する燃料電池システムの構成図である。１は燃料電池スタック、２はカソードガスを含む空気を燃料電池スタック１に供給するカソードガス（空気）吸入口、３はカソードガスを昇圧するコンプレッサ、４はアノードガス供給装置（例えば高圧水素ボンベ）、５は燃料電池入口アノードガス圧力センサ（以下、単に「アノードガス圧力センサ」という）、６は気液分離装置、７はアノード循環手段、８は及び電力検知手段としてのコントロールユニット、９はアノード圧力制御弁、１０は気液分離装置６に付随する水位センサ、１１は排水制御弁、１２は水素経路ガスを排出するためのパージ弁、１５は熱媒体（本実施形態では冷却水）を燃料電池スタック１に供給する循環手段としての熱媒体供給装置である。
【０００９】
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んでアノード極とカソード極とを対向して設置した燃料電池をセパレータで挟み、これを複数積層して構成されている。そして、アノード極にアノードガスを、カソード極にカソードガスをそれぞれ供給し、これらを電気化学的に反応させて発電を行う。また、燃料電池総電圧を検知する電圧検知手段１４（例えば電圧センサ）と、燃料電池負荷電流を検知する電流検知手段２３（例えば電流センサ）と、を有する。
【００１０】
アノードガス供給装置４は、アノードガスを燃料電池スタック１に供給する。アノードガス供給流路にはアノード圧力制御弁９を設け、アノードガス圧力センサ５の出力に応じて燃料電池スタック１の水素圧力を制御する。
【００１１】
気液分離装置６は燃料電池アノード出口に設置し、ここでアノードオフガスに含まれる液水を分離する。ここで分離された液水は、気液分離装置６に付随する貯留タンクに一時的に蓄えられ、貯留タンクに設置した水位センサ１０の出力に応じて、排水制御弁１１にて排水時にアノードガスが排出されない水以上に制御される。
【００１２】
燃料電池スタック１を通過した空気は、一部の酸素が消費され、発電により生成した水分とともに、排出流路２４を介して排出される。
【００１３】
排出流路２４には、燃料電池スタック１へ供給されるカソードガス圧力を調整するカソード圧力調整弁１３が設けられており、このカソード圧力調整弁１３の開度はコントロールユニット８で設定される。また、アノード側に設置した気液分離装置６にて回収した燃料電池スタック１の生成水も排出流路２４を介して排出される。
【００１４】
熱媒体供給装置１５は、燃料電池スタック１の温度を適切に保つように熱媒体を燃料電池スタック１に供給する。このための供給流路には、燃料電池スタック１に供給する熱媒体の流量を検知する流量検知手段１６（例えば流量センサ）と、燃料電池スタック１に供給する熱媒体の温度を検知する温度検知手段１７（例えば温度センサ）と、燃料電池スタック１から排出された熱媒体の温度を検知する温度検知手段２２（例えば温度センサ）と、熱媒体を介して燃料電池スタック１の熱を放熱する放熱器１８と、放熱器１８をバイパスするバイパスラインＬ２と、放熱器１８とバイパスラインＬ２の流量比を調整する分流調整手段１９（例えば三方弁）と、燃料電池スタック１の冷却ラインの圧力を検知する圧力検知手段２０（例えば圧力センサ）と、燃料電池スタック１の温度を検知する温度検知手段２１（例えば温度センサ）と、を設ける。
【００１５】
そして、分流調整手段１９によって、燃料電池スタック１の温度が制御温度より低い場合は放熱器１８をバイパスさせ、制御温度より高い場合は放熱器１８への流量を増大させることで、燃料電池スタック１の温度を所望の温度に調整する。
【００１６】
燃料電池スタック１における発電は、燃料電池スタック１の総電圧が予め設定した電圧閾値を下回らないように、燃料電池発電電流を調整することによって行う。
【００１７】
図２は、上記のような燃料電池システムにおいてコントロールユニット８が実行する制御のフローチャートである。本制御は、運転者からの起動指令を受けて開始する。例えば、起動ボタンがＯＮになったときに起動指令があったものとする。
【００１８】
ステップＳ００１では、低温用運転の要否を判断する。この判断は、例えば、燃料電池セル温度、燃料電池熱媒体温度、外気温、燃料電池システムの構成部品温度、または燃料電池スタック１に燃料ガスを供給した際の燃料電池総電圧、のいずれかの条件、もしくはこれらの条件をいくつか組み合わせた条件で判断することができる。なお、上記の条件の他に、燃料電池の状態を示す特性、例えば反応ガス供給時のセル電圧や総電圧等、を用いることも可能である。
【００１９】
ステップＳ００１で低温用運転の必要がないと判断した場合はステップＳ００７に進み、熱媒体流量制御を通常運転時用制御にする。低温用運転の必要があると判断した場合は、ステップＳ００２に進み、燃料電池総電圧目標値Ｖｔを決定する。
【００２０】
燃料電池総電圧目標値Ｖｔは、例えば、燃料電池スタック１を搭載する移動体（例えば車両）の起動時間の制約や、燃料電池スタック１及び燃料電池システムの構成部品の発電中における凍結の防止や、燃料電池スタック１の劣化等の要因を考慮して決定する。
【００２１】
なお、ここで設定する目標値は、燃料電池スタック１の発電効率に係わるパラメータであればよい。このため、燃料電池総電圧に限らず、平均セル電圧や燃料電池発電効率としてもよい。ただし、平均セル電圧や燃料電池発電効率を用いる場合には、セル毎の電圧を検知するか、総電圧の検知結果に基づいて演算する必要があるため、燃料電池総電圧を用いることが望ましい。
【００２２】
ステップＳ００３では、燃料電池スタック１へ供給する熱媒体流量の初期値Ｑｆを決定する。
【００２３】
熱媒体流量初期値Ｑｆは、燃料電池スタック入口熱媒体温度検知手段１７、燃料電池スタック出口熱媒体温度検知手段２２、または燃料電池スタック温度検知手段２１、の検知結果のいずれか、またはこれらの組み合わせに基づいて決定する。例えば、燃料電池スタック温度検知手段２１の検知結果に基づいて決定する場合には、図３に示すようなＩ−Ｖ特性の温度に対する感度を予め調べておき、目標発電電力を確保できる電流値としたときに燃料電池総電圧目標値Ｖｔを確保できる温度（図３中では温度Ｔ２）以上であれば、通常運転時用の流量とする。Ｔ２未満であれば、予め作成しておいた図４に示すような温度検知結果から熱媒体流量初期値Ｑｆを算出するテーブルに基づいて決定する。
【００２４】
図４のテーブルでは、検知した温度がゼロ℃までは熱媒体流量初期値Ｑｆはゼロで、ゼロ℃から暖機終了と判断できる温度までは、温度上昇に伴って熱媒体流量初期値Ｑｆも増大している。このようなテーブルを作成する場合には、熱媒体流量初期値Ｑｆは低温時の起動性及び部品への熱による損傷を考慮して決定する必要があるため、部品の耐久性等を考慮して、使用する燃料電池システムの構成部品及び冷却水を含む燃料電池スタック１の熱容量と部品許容温度とを合わせて決定する必要がある。
【００２５】
このように熱媒体流量初期値Ｑｆを設定することで、熱媒体による冷却によってＩ−Ｖ特性が低下することを防止できる。これにより、発電電力が上がらずに自己発熱量の上昇が遅くなることを防止できる。
【００２６】
ところで、熱媒体流量初期値Ｑｆの決定は、燃料電池スタック１の状態に応じて判断することができるので、上述した温度検知手段の検出結果によらずとも決定することができるが、部品の過剰な温度上昇を防止する観点から、上述した温度検知手段の検出結果を基に決定することが望ましい。
【００２７】
ステップＳ００４では、分流調整装置１９を熱媒体の全量が放熱器１８をバイパスして配管Ｌ２に流入するように設定する。ここで、燃料電池スタック１から流出した熱媒体が放熱器１８をバイパスしなくても、暖機時間の短縮効果を得ることはできる。しかし、放熱器１８をバイパスすることで、放熱器１８からの放熱を防止でき、さらに熱媒体の循環経路の総熱容量を減少させることもできるので、バイパスさせた方が暖機時間をより短縮することができる。
【００２８】
ステップＳ００５では、ステップＳ００２で決定した燃料電池総電圧目標値Ｖｔとなるように、燃料電池スタック１で発電を行い、図５のフローチャートに進む。
【００２９】
図５は燃料電池スタック１へ供給する熱媒体流量の調整制御のフローチャートである。
【００３０】
ステップＳ００７では、燃料電池スタック１の暖機が完了したか否かを判断する。暖機が完了していればステップＳ００６に進んで通常運転に移行し、完了していなければステップＳ００８に進む。暖機が完了したか否かは、例えば、燃料電池スタック１に流入する熱媒体の温度を検知する温度検知手段１７が予め設定した判断用閾値以上か否か、または、ある発電電流のときの電圧検知手段１４の静的な検知結果と理想電圧（通常運転時の当該発電電流時における、理論上の発電電圧）との差が予め設定した閾値以内か否か、等により判断可能である。
【００３１】
ステップＳ００８では、燃料電池スタック１に供給する熱媒体の流量を制限する場合に想定される熱的条件が、許容可能か否かを判断する。熱的条件とは、熱媒体の流量減少に伴う燃料電池スタック１内の温度上昇による燃料電池スタック１や燃料電池システムの構成部品の損傷を防止できる条件、燃料電池内の温度差により生じる熱応力による燃料電池スタック１の損傷を防止できる条件、等といった熱負荷条件を考慮して決定する。許容できるか否かの判断は、例えば、燃料電池スタック１の自己発熱量と燃料電池スタック１から熱媒体で持ち出される熱量の差の総和と、燃料電池スタック１の熱媒体入口と出口に設置している温度検知手段１７、２２で検知した温度に基づいて判断することができる。
【００３２】
許容できないと判断した場合は、ステップＳ０１２に進み、熱媒体の流量を増加させる。許容できると判断した場合は、ステップＳ００９に進む。
【００３３】
ステップＳ００９では、燃料電池スタック１の実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達したか否かを判定する。上限電力設定値Ｐｕは、燃料電池システムをエネルギー源とするシステムが消費可能な電力として設定した値である。例えば、燃料電池を搭載した移動体であれば、燃料電池システムを構成する部品で消費される電力、居住空間の空調や運転情報を伝達するインフォメーションパネル等のシステムで消費する電力、移動体の駆動源として消費する電力、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置にて吸収する電力、その他の補機類で消費される電力等の総和である。実発電電力は、実際の発電電圧及び負荷電流に基づいて算出する。
【００３４】
なお、上限電力設定値Ｐｕを上述した電力の総和の最大値以下に設定してもよいが、最大値に設定したときに燃料電池スタック１の自己発熱量が最大となるので、最大値に設定することが望ましい。
【００３５】
判定の結果、上限電力設定値Ｐｕに到達していない場合はステップＳ０１０に進み、熱媒体供給装置１５を操作することで、後述するように燃料電池スタック１へ供給する熱媒体の流量を低下させて、実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達するまでステップＳ００７からＳ０１０を繰り返す。
【００３６】
これは、実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達した場合には、燃料電池スタック１の温度上昇とともに発電効率が上昇して自己発熱量が減少してしまうので、発電効率を抑制するためである。なお、ここでは発電効率の特性値として燃料電池総電圧を用いているが、これに限らず、燃料電池の発電効率を表わす特性値として、平均セル電圧や、発電効率そのものを用いてもよい。
【００３７】
一方、燃料電池スタック１の実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達している場合は、ステップＳ０１１に進む。
【００３８】
なお、ステップＳ００９からステップＳ０１１に進むのは、実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達した場合に限らない。例えば燃料電池発電負荷の変化率が所定値以上となった場合のように、上限電力設定値Ｐｕに到達することが予測される場合にステップＳ０１０に進むようにしてもよい。また、実発電電力が上限電力設定値Ｐｕを基準として所定範囲内にある場合にステップＳ０１０に進むようにしてもよい。
【００３９】
ステップＳ０１１では、燃料電池スタック１の総電圧検知手段１４の検知結果と目標総電圧Ｖｔとの差が予め設定した所定値より大きいか否かを判定する。所定値より大きい場合はステップＳ０１２に進み、後述するように燃料電池スタック１へ供給する熱媒体の流量を増加させて、ステップＳ００７に戻る。所定値より小さい場合は、現状の熱媒体供給量を維持してステップＳ００７に戻る。
【００４０】
なお、ステップＳ０１１の判定は、燃料電池スタック１の総電圧が目標総電圧Ｖｔ以上になることを防止できるものであればよく、上述した目標総電圧Ｖｔとの乖離量による判定に限られない。例えば、燃料電池スタック１の総電圧の変化率等を用いた判定であってもよい。
【００４１】
ここで、ステップＳ０１０における熱媒体流量の減少量、ステップＳ０１２における熱媒体流量の増加量について説明する。
【００４２】
ステップＳ０１０は、熱媒体流量初期値Ｑｆを初期値として、燃料電池スタック１の実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達するまでの間、減量するものである。熱媒体流量の減少量は、図６に示すように、実発電電力と上限電力設定値Ｐｕの乖離量が大きくなるほど熱媒体流量の減少量を多く設定し、乖離量が小さくなるほど熱媒体流量の減少量を少なく設定する。また、燃料電池スタック入口の熱媒体温度が高いほど熱媒体流量の減少量を少なく、低いほど減少量を多く設定する。
【００４３】
一方、ステップＳ０１２は、燃料電池スタック１の実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達したときの熱媒体流量を初期値として、増量処理を施すものである。熱媒体流量の増加量は、図７に示すように、目標総電圧Ｖｔと実総電圧の乖離量が大きくなるほど増加量を多く設定し、乖離量が小さくなるほど増加量を少なく設定する。また、燃料電池スタック入口の熱媒体温度が高い場合には増加量を多く、低い場合には増加量を少なく設定する。
【００４４】
図８は、上述した熱媒体流量の増減を行った場合のタイムチャートである。ここでは、熱媒体流量初期値ＱｆをＱｆ０とする。
【００４５】
ｔ＝０で発電を開始し、ｔ１で燃料電池スタック１の発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達している。この間、熱媒体流量は上限電力設定値Ｐｕと実電力との差に応じて減量される。これにより、熱媒体による冷却によってＩ−Ｖ特性が低下して自己発熱量の増大が遅くなることを防止できる。
【００４６】
そしてｔ１以降の熱媒体流量は、ｔ１時の流量を初期値として、目標電圧と実電圧との差に応じて増量される。
【００４７】
実発電電力が上限電力設定値Ｐｕに達すると、Ｉ−Ｖ特性が上がることで図８中の実線で示したように総電圧が上昇する。そこで、熱媒体流量を増量して燃料電池スタック１の冷却を促進することでＩ−Ｖ特性の上がりすぎを抑制し、総電圧を目標総電圧に収束させている。なお、理想的には、熱媒体流量の増量により図８中の破線のようにｔ１以降は総電圧が目標総電圧に維持されたままになることが望ましい。
【００４８】
次に、図９から図１１を用いて、本実施形態の効果について説明する。図９は本実施形態の熱媒体流量制御を実行した場合の、自己発熱量、燃料電池スタック１の発電効率（電圧）、負荷電流、発電電力、燃料電池スタック１の温度、及び熱媒体流量についてのタイムチャートである。図１０及び図１１は、比較例として、熱媒体の流量を起動時からの経過時間に応じてタイマー制御する場合についてのタイムチャートであり、図１０は発電電力が上限電力設定値に到達してから所定時間経過後に熱媒体を流す場合、図１１は逆に上限電力設定値に到達する前から、周期的に熱媒体を流す場合である。
【００４９】
なお、起動時の燃料電池温度は零下とする。このため、熱媒体流量初期値はゼロとなっている。また、図９の燃料電池効率（電圧）、負荷電流、発電電力のチャートは、図８で述べた熱媒体流量制御による理想的な変化をしている場合について示している。
【００５０】
まず図９と図１０とを比較すると、ｔ＝０でシステムを起動してから、発電電力が上限電力設定値に到達するまでは、いずれも熱媒体流量はゼロなので、到達時間（ｔ１）に差はない。
【００５１】
本実施形態では、上述したようにｔ１以降は熱媒体流量を増量することで、燃料電池効率を一定に維持する。これにより負荷電流及び発電電力も一定に維持される。また、熱媒体流量を流し始めることで燃料電池は冷却されるが、燃料電池発電効率が一定に維持されることで自己発熱量は上限電力設定値Ｐｕ時の発熱量に維持される。そして、負荷電流及び発電電力を一定に維持したままで熱媒体流量を増量するので、熱媒体流量が通常運転状態の流量となったときに、システムは暖機状態となっている。
【００５２】
これに対して、図１０では、ｔ１以降も熱媒体流量がゼロの状態が続くので、Ｉ−Ｖ特性が上がり、燃料電池発電効率が上昇する。このため発電電力を上限電力設定値に維持するためには、負荷電流を低下させる必要がある。また、燃料電池効率が上昇することで、自己発熱量が低下する。このように自己発熱量及び負荷電流が低下した状態のｔ２で熱媒体を流し始めると、燃料電池温度が低下する。これによりＩ−Ｖ特性が低下して発電電力が低下するので、発電電圧が低下して負荷電流も制限される。また、発電電力の低下により自己発熱量もさらに低下してしまう。したがって、熱媒体流量が通常運転状態の流量となった後、発電電力が再び上限電力設定値になるまでには時間を要することとなる。つまり、本実施形態に比べて、燃料電池スタック１が暖機状態になるまでに時間を要する。
【００５３】
なお、ここでいう暖機状態とは、燃料電池スタック１の発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達しており、かつ熱媒体流量が通常運転状態の流量となっている状態をいう。
【００５４】
次に、図９と図１１とを比較する。図１１では、発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達する前から周期的に熱媒体を流している。このため、熱媒体を流している間の燃料電池温度の上昇が緩やかになり、Ｉ−Ｖ特性が上がらず電流値を増大させることができない。したがって、発電電力の上昇速度が緩やかになり、本実施形態に比べて暖機に時間を要する。
【００５５】
以上により本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
【００５６】
（１）燃料電池システム起動時に熱媒体流量初期値Ｑｆを設定し、燃料電池スタック１の発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達したときに、熱媒体の流量を熱媒体流量初期値Ｑｆに対して増加させるので、燃料電池温度の上昇を抑制して自己発熱量の低下を抑制することができ、結果として暖機時間を短縮することができる。
【００５７】
（２）総電圧が上限電力設定値Ｐｕに維持されるように熱媒体流量の増加量を設定するので、発電効率を維持しつつ、自己発熱量の低下を抑制することができる。
【００５８】
（３）熱媒体流量の増加量を、総電圧の目標値と実値との差が大きいほど大きく、差が小さいほど小さく設定するので、総電圧を目標値により近づけることができる。
【００５９】
（４）熱媒体流量の増加量を、熱媒体の温度が高いほど大きく、熱媒体の温度が低いほど小さく設定するので、総電圧を目標値により近づけることができる。
【００６０】
（５）燃料電池の起動時における温度が低いほど熱媒体流量初期値Ｑｆを小さく設定するので、低温始動時における熱媒体による過度の冷却を防止して、発電効率を上昇させ、自己発熱量の増大を促進できる。
【００６１】
（６）燃料電池スタック１の発電電力が目標発電電力（上限電力設定値Ｐｕ）以下の場合には、熱媒体の流量を熱媒体流量初期値Ｑｆに対して減少させるので、低温始動時における発電効率の上昇を促進し、自己発熱量の増大を促進できる。
【００６２】
（７）熱媒体流量の減少量を、発電電力と目標発電電力（上限電力設定値Ｐｕ）との差が大きいほど大きく、差が小さいほど小さく設定するので、電力上昇が促進され、暖機時間を短縮することができる。
【００６３】
（８）熱媒体流量の減少量を、熱媒体の温度が低いほど大きく、高いほど小さく設定するので、電力上昇が促進され、暖機時間を短縮することができる。
【００６４】
第２実施形態について説明する。
【００６５】
図１２は、本実施形態を適用する燃料電池システムの構成図である。図１との相違点は、燃料電池スタック熱媒体入口の前に熱媒体加熱装置２５を備える点である。
【００６６】
なお、熱媒体加熱装置２５として、例えば電気ヒータを用いる。図１５は熱媒体加熱装置２５の発熱量の特性の一例を示す図である。このように、熱媒体加熱装置２５を通過する熱媒体の流量によって最大発熱量が制限され、かつ熱媒体の温度が低いほど最大発熱量が大きくなるような特性にすることで、熱媒体の沸騰を防止することができる。
【００６７】
図１３、図１４を参照して、本実施形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００６８】
図１３は、コントロールユニット８が実行する制御のフローチャートである。本制御は、燃料電池システムの起動指令を受けて開始する。例えば、起動ボタンがＯＮになったときに起動指令があったものとする。
【００６９】
ステップＳ１０１〜Ｓ１０６は、図２のステップＳ００１〜Ｓ００６と同様なので説明を省略する。ただし、ステップＳ１０５で燃料電池発電を開始した後の処理が異なる。
【００７０】
図１４は、ステップＳ１０５で燃料電池発電を開始した後に行う制御のフローチャートである。
【００７１】
ステップＳ１０７では、燃料電池スタック１の発電能力が許容範囲内か否かを判断する。具体的には、燃料電池負荷電流を検知する電流検知手段２３の検知結果の変化率と、想定される変化率Ｉｕとを比較し、変化率がＩｕより大きい場合は、燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性より発電能力が許容範囲内であると判断して、前述した図５に示す熱媒体流量調整へ移行する。一方、変化率がＩｕ以下の場合はステップＳ１０８に進む。
【００７２】
なお、発電能力の判断は、例えば温度検知手段等によって発電前に予め行ってもよい。しかし、燃料電池スタック１の内部の凍結状態等、実態にあった判断を行うためには、燃料電池スタック１の総電圧を一定に保つように発電電流を調整するシステムであれば、上述したような負荷電流の変化率で判断することが望ましい。また、直接発電電力から判断しても、実態にあった判断を行うことができる。
【００７３】
ステップＳ１０８では、燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性が低いと判断し、燃料電池スタック１への供給熱媒体量を、熱媒体加熱装置２５を使用するモードにおける熱媒体流量に設定する。そして、ステップＳ１０９で、熱媒体加熱装置２５による加熱を開始する。
【００７４】
熱媒体加熱装置２５を使用するモードにおける熱媒体流量は、燃料電池スタック１へ流入する熱媒体が持つ熱量と、燃料電池スタック１から流出する熱媒体の熱量の差が最大になるように決定するのが、最も効果的である。
【００７５】
ステップＳ１１０では、燃料電池スタック１及び熱媒体加熱装置２５の熱的条件に基づいて、熱媒体加熱装置２５の使用を継続するか否かを判断する。継続できないと判断した場合は、ステップＳ１１２に進み、熱媒体加熱装置２５を停止する。継続できると判断した場合は、ステップＳ１１１に進む。
【００７６】
ステップＳ１１１では、発電電力が上限電力設定値Ｐｕに到達したか否かを判断する。到達したと判断した場合はステップＳ１１２に進み、到達していないと判断した場合は、ステップＳ１１０に戻る。なお、ステップＳ１１１での判断方法及び上限電力設定値Ｐｕの設定の考え方は、図４のステップＳ００９と同様である。
【００７７】
ステップＳ１１２で熱媒体加熱装置２５を停止した後は、第１実施形態の図５と同様の制御を実行する。
【００７８】
以上により本実施形態では、熱媒体加熱装置２５を備えることにより、さらに暖機時間を短縮することができる。
【００７９】
第３実施形態について説明する。
【００８０】
図１６は、本実施形態を適用する燃料電池システムの構成図である。図１との相違点は、燃料電池スタック加熱ラインＬ３（以下、Ｌ３ラインという）をさらに設け、このＬ３ラインに、熱媒体加熱装置２５と、熱媒体を循環させるための循環装置２６と、燃料電池スタック１に流入する熱媒体温度を検知する温度検知手段２７と、Ｌ３ラインの熱媒体流量を検知する流量検知手段２８と、を設けた点である。なお、燃料電池スタック１内には、熱媒体と燃料電池スタック１との熱交換機能を有する熱交換器（図示せず）を持つ。
【００８１】
また、本システムの起動時の制御については、第２実施形態と同様の制御を適用する。
【００８２】
このように、熱媒体を加熱するためのＬ３ラインを独立して設け、例えば燃料電池スタック１内のエンドセル周囲のように、低温環境下で最も温度上昇しにくく、電圧の落ち込みが発生しやすい部位を加熱すると、燃料電池スタック１を効果的に暖機することができる。
【００８３】
Ｌ３ラインの熱媒体加熱装置２５の操作及び熱媒体の循環量の決定方法は、第２実施形態と同様であり、放熱器１８をバイパスするバイパスラインＬ２の流量制御とは独立に、かつ並行して行うことができる。
【００８４】
なお、燃料電池スタック１の暖機方法としては、上記のような熱媒体を介して伝熱する以外に、ヒータ等の加熱器で直接加熱するようにしてもよい。また、Ｌ３ラインは、燃料電池スタック１の加熱専用ではなく、例えば、室内空調装置の熱媒体ライン等、他の機能を有する部位と共用してもよい。
【００８５】
以上により本実施形態では、第１または第２実施形態と同様に、燃料電池システムの暖機を効率よく行うことができる。
【００８６】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システム起動時の制御フローチャートである。
【図３】Ｉ−Ｖ特性の温度に対する感度を示す図である。
【図４】熱媒体流量初期値Ｑｆ算出用のテーブルである。
【図５】第１実施形態の熱媒体流量の調整制御のフローチャートである。
【図６】熱媒体流量の減少量を決定するためのテーブルである。
【図７】熱媒体流量の増加量を決定するためのテーブルである。
【図８】熱媒体流量の増減による効果を説明するためのタイムチャートである。
【図９】第１実施形態の熱媒体流量制御を実行した場合のタイムチャートである。
【図１０】比較のためのタイムチャート（その１）である。
【図１１】比較のためのタイムチャート（その２）である。
【図１２】第２実施形態のシステム構成図である。
【図１３】第２実施形態の燃料電池システム起動時の制御フローチャートである。
【図１４】熱媒体加熱装置の制御フローチャートである。
【図１５】熱媒体加熱装置の発熱量特性図である。
【図１６】第３実施形態のシステム構成図である。
【符号の説明】
【００８８】
１    燃料電池スタック
２    カソードガス（空気）吸入口
３    コンプレッサ
４    アノードガス供給装置
５    燃料電池入口アノードガス圧力センサ
６    気液分離装置
７    アノード循環手段
８    コントロールユニット
９    アノード圧力制御弁
１０  水位センサ
１１  排水制御弁
１２  パージ弁
１４  電圧検知手段
１５  熱媒体供給装置
１６  流量検知手段
１７  温度検知手段
１８  放熱器
１９  圧力検知手段
２０  圧力検知手段
２１  温度検知手段
２２  温度検知手段
２３  電流検知手段
２４  排出流路
２５  熱媒体加熱装置
２６  循環装置
２７  温度検知手段
２８  流量検知手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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