(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に電気的に接続されて前記燃料電池の電力で駆動される補機と、当該燃料電池に電気的に接続されて、当該燃料電池に供給される冷却水を加熱するヒーターと、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の零下起動時に前記補機と前記ヒーターへの電力供給によって燃料電池自身を暖機する暖機制御部を備え、
前記暖機制御部は、
前記燃料電池の湿潤度と温度と暖機時の発電電力とに基づいて、当該燃料電池の温度が氷点温度まで上昇する間に電解質膜で生成される生成水量を演算する水量演算部と、
前記演算された生成水量が閾値を超えると判断したとき、前記暖機時における前記補機に対する前記ヒーターへの電力割合を高くする凍結対策制御部と、
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記凍結対策制御部は、前記零下起動時の補機への電力を低減することで前記零下起動時の前記ヒーターへの電力割合を高くする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記補機は、コンプレッサーであり、
前記凍結対策制御部は、前記生成水量が閾値を超えると判断したとき、燃料電池の発電に必要な発電電流に基づく空気量で前記コンプレッサーを制御することで、前記零下起動時の前記ヒーターへの電力割合を高くする、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記水量演算部は、
前記燃料電池の温度と暖機時の発電電力に基づいて、零下起動時の前記燃料電池が起動してから０℃近傍に到達するまでの発電昇温時間を算出して生成水の積算量を推定する積算量推定部と、
前記燃料電池の湿潤度に基づく保水量と前記生成水の積算量との合計を前記生成水量として算出する生成水量算出部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記暖機制御部は、前記燃料電池の停止時に前記燃料電池の抵抗値を検出し、
前記水量演算部は、零下起動時に前記停止時の抵抗値に基づいて前記燃料電池の湿潤度を算出する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記水量演算部は、
前記燃料電池の発電電流に応じた電池電圧を示す電池特性情報を用いて、前記暖機時の発電電力に基づいて電池電圧を特定し、当該電池電圧と理論電圧との差分に基づいて前記燃料電池の発熱量を演算する発熱量演算部と、
前記燃料電池の温度と熱容量とに基づいて、前記燃料電池の温度が０℃近傍に到達するまでに必要な発熱量を算出する目標発熱量算出部と、
前記必要な発熱量から前記燃料電池の発熱量を除算して前記発電昇温時間を算出する昇温時間算出部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記水量演算部は、
前記暖機時の発電電力に基づいて電池特性情報により発電電流を特定し、当該発電電流に応じて単位時間あたりの生成水量を算出する生成速度算出部と、
前記算出された単位時間あたりの生成水量と発電昇温時間とに基づいて、前記燃料電池の温度が０℃近傍に到達するまでに生成される前記積算量を算出する積算量算出部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度は、前記燃料電池に流入する冷却水の入口温度である、
燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池に電気的に接続されて前記燃料電池の電力で駆動される補機と、当該燃料電池に電気的に接続されて、当該燃料電池に供給される冷却水を加熱するヒーターと、を有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の零下起動時に前記補機と前記ヒーターへの電力供給によって燃料電池自身を暖機する暖機制御ステップでは、
前記燃料電池の湿潤度と温度と暖機時の発電電力とに基づいて、当該燃料電池の温度が氷点温度まで上昇する間に電解質膜で生成される生成水量を演算する水量演算ステップと、
前記暖機時に前記演算された生成水量が閾値を超えると判断したときは、前記補機に対する前記ヒーターへの電力割合を高くする凍結対策制御ステップと、を含む、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、低温起動時の燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される燃料電池は、一般的に７０℃前後が発電に適した温度域とされている。このため、車両の起動時には、燃料電池を発電に適した温度域に速く昇温させる必要がある。ＪＰ２００９−４２４３Ａには、燃料電池自身を発電させることで生じる自己発熱を利用して燃料電池の暖機時間を短くする燃料電池システムが開示されている。
【発明の概要】
【０００３】
前述した燃料電池システムは、車両の使用環境によっては、例えばマイナス３０℃の低温時に起動される場合がある。このような場合、燃料電池の自己発熱に伴い、電解質膜で生成された生成水が電解質膜の保水量を超えて溢れ出すことがあり、氷点下では溢れ出した生成水は凍ってしまう。このため、氷点下で燃料電池システムを起動するときには、生成水の凍結によって電解質膜を通るガスの拡散性が悪くなり、発電ができなくなるおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、氷点下において燃料電池の暖機時に生成水が凍結するのを抑制することにある。
【０００５】
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池に電気的に接続されて燃料電池の電力で駆動される補機と、燃料電池に電気的に接続されて、燃料電池に供給される冷却水を加熱するヒーターと、を有する燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池の零下起動時に補機とヒーターへの電力供給によって燃料電池自身を暖機する暖機制御部を備える。暖機制御部は、燃料電池の湿潤度と温度と暖機時の発電電力とに基づいて、燃料電池の温度が氷点温度まで上昇する間に電解質膜で生成される生成水量を演算する水量演算部を含む。さらに、水量演算部により算出された生成水量が閾値を超えるときには、暖機時に補機に対するヒーターへの電力割合を高くする凍結対策制御部を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図２は、コントローラーにおける暖機制御部の構成を示す図である。
【図３】図３は、生成水量演算部の詳細を示す構成図である。
【図４】図４は、凍結対策制御部の詳細を示す構成図である。
【図５】図５は、暖機制御部による制御方法を示すフローチャートである。
【図６】図６は、凍結対策制御による生成水の凍結回避手法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムを示す概略図である。
【０００９】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１を起動するときに、燃料電池スタック自身の発電により生じる自己発熱を利用して燃料電池スタック１を暖機するシステムである。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、コントローラー５と、を備える。カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４とは、燃料電池スタック１の補機として用いられる。
【００１０】
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものである。燃料電池スタック１は、本実施形態では自動車用動力源として使用される。
【００１１】
燃料電池は、電解質膜を、アノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟んで構成される。燃料電池は、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とが供給されることによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極で進行する電極反応は、それぞれ（１）及び（２）の通り表わされる。
【００１２】
【化１】
0005939312.tif 000002
【００１３】
燃料電池は、上記（１）及び（２）の電極反応によって、起電力を生じるとともに水が生成される。このような燃料電池が多数積層されているため、燃料電池スタック１では、数百ボルトの電圧が発生する。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、例えば、車両の駆動に必要な電力を供給する。燃料電池スタック１には、例えば、抵抗検出部５１が設けられている。
【００１４】
抵抗検出部５１は、燃料電池の湿潤度を求めるために、電解質膜のインピーダンス（抵抗値）を検出する。電解質膜の湿潤度が小さいほど（電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど）インピーダンスが大きくなる。電解質膜の湿潤度が大きいほど（電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど）インピーダンスが小さくなる。
【００１５】
抵抗検出部５１は、例えば、ＨＦＲ（High Frequency Resistance）測定手法によってインピーダンスを求める。抵抗検出部５１は、燃料電池スタック１の発電電流を１ｋＨｚ（キロヘルツ）の正弦波で変動させて燃料電池スタック１の電圧の変動を検出する。そして抵抗検出部５１は、１ｋＨｚの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することで抵抗値を求める。抵抗検出部５１は、抵抗値を示す電池抵抗信号をコントローラー５に出力する。
【００１６】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から流れ出すカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルター２２と、カソードコンプレッサー２３と、カソードガス排出通路２４と、カソード調圧弁２５と、エアフローセンサー２６と、圧力センサー２７と、を備える。
【００１７】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する通路である。カソードガス供給通路２１の一端はフィルター２２に接続され、他端はカソードガス入口孔１１に接続される。
【００１８】
フィルター２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガスの中に含まれている異物を除去する。
【００１９】
カソードコンプレッサー２３は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサー２３は、フィルター２２を介して外気からの空気をカソードガス供給通路２１に取り込み、カソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。
【００２０】
カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出する通路である。カソードガス排出通路２４の一端はカソードガス出口孔１２に接続され、他端は開口している。
【００２１】
カソード調圧弁２５は、カソードガス排出通路２４に設けられる。カソード調圧弁２５は、コントローラー５によって開閉制御される。この開閉制御によって、カソード調圧弁２５よりも上流側の通路を流れるカソードガスの圧力（以下「カソード圧」という。）が所望の圧力に調節される。
【００２２】
エアフローセンサー２６は、カソードコンプレッサー２３よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサー２６は、カソードガス供給通路２１を流れるカソードガスの流量を検出する。
【００２３】
圧力センサー２７は、カソードガス入口孔１１の近傍のカソードガス供給通路２１に設けられる。圧力センサー２７は、カソード圧を検出する。コントローラー５は、圧力センサー２７の検出値に基づいてカソード調圧弁２５の開度を調整する。これにより、カソード圧を所望の圧力が調節される。
【００２４】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２４に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。
【００２５】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００２６】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から燃料電池スタック１にアノードガスを供給する通路である。アノードガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端はアノードガス入口孔１３に接続される。
【００２７】
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラー５によって開閉制御される。この開閉制御によって、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れるアノードガスの圧力が調節される。
【００２８】
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から流れ出るアノードオフガスを排出する通路である。アノードガス排出通路３４の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔１４に接続され、他端はカソードガス排出通路２４に接続される。
【００２９】
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラー５によって開閉制御される。パージ弁３５の開閉制御によって、カソードガス排出通路２４に合流させるアノードオフガスの流量が制御される。
【００３０】
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却して燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエーター４２と、バイパス通路４３と、サーモスタット４４と、循環ポンプ４５と、ヒーター４６と、第１水温センサー４７と、第２水温センサー４８と、を備える。
【００３１】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水を循環させる通路である。
【００３２】
ラジエーター４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエーター４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
【００３３】
バイパス通路４３は、ラジエーター４２をバイパスさせる通路である。バイパス通路４３の一端は、冷却水循環通路４１に接続され、他端はサーモスタット４４に接続される。
【００３４】
サーモスタット４４は、ラジエーター４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。サーモスタット４４は開閉弁である。サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度によって自動的に開閉する。
【００３５】
サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度が所定のサーモスタット開弁温度よりも低いときは、閉じた状態となり、バイパス通路４３を経由してきた相対的に高温な冷却水のみを燃料電池スタック１に供給する。
【００３６】
一方、サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度がサーモスタット開弁温度以上になると、徐々に開き始める。そしてサーモスタット４４は、バイパス通路４３を経由してきた冷却水と、ラジエーター４２を経由してきた相対的に低温な冷却水と、を内部で混合して燃料電池スタック１に供給する。
【００３７】
循環ポンプ４５は、サーモスタット４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。循環ポンプ４５は、燃料電池スタック１を流れる冷却水を循環させる。循環ポンプ４５の吐出流量は、コントローラー５によって制御される。
【００３８】
ヒーター４６は、サーモスタット４４と循環ポンプ４５との間の冷却水循環通路４１に設けられる。ヒーター４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電され、冷却水の温度を上昇させる。ヒーター４６としては、例えばＰＴＣヒーターが使用される。
【００３９】
第１水温センサー４７は、冷却水循環通路４１とバイパス通路４３との分岐点よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサー４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。第１水温センサー４７は、検出されたスタック出口温度をコントローラー５に出力する。
【００４０】
第２水温センサー４８は、循環ポンプ４５よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサー４８は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。第２水温センサー４８は、スタック入口水温をコントローラー５に出力する。
【００４１】
コントローラー５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。
【００４２】
コントローラー５には、第１水温センサー４７からスタック出口水温が入力され、第２水温センサー４８からスタック入口水温が入力され、抵抗検出部５１から電池抵抗信号が入力される。
【００４３】
コントローラー５は、スタック入口水温、スタック出口水温、及び電池抵抗信号などに基づいて、燃料電池スタック１を発電させる。コントローラー５は、通常、カソードコンプレッサー２３とカソード調圧弁２５とアノード調圧弁３３とパージ弁３５とを制御して、発電に最低限必要な流量のカソードガス及びアノードガスを燃料電池スタック１に供給する。
【００４４】
コントローラー５は、燃料電池システム１０の起動時においては、燃料電池スタック１を発電に適した発電温度、例えば６０℃まで暖機する制御（以下「暖機促進運転」という）を実行する。
【００４５】
暖機促進運転時において、燃料電池スタック１の暖機に必要な流量でカソードガスとアノードガスとを燃料電池スタック１にそれぞれ供給する。これにより燃料電池スタック１は発電し、発電に伴う自己発熱によって燃料電池スタック１自体が温められる。
【００４６】
コントローラー５は、燃料電池スタック１で発電した発電電力を、カソードコンプレッサー２３、循環ポンプ４５や、ヒーター４６などに分配する。このとき、コントローラー５は、カソードコンプレッサー２３及びヒーター４６に対して、燃料電池スタック１の発電電力のうち、通常よりも大きな電力を割り当てる。
【００４７】
具体的には、コントローラー５は、カソード調圧弁２５の開度を、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な空気圧力よりも高くなるように設定するとともに、カソードコンプレッサー２３から吐出する空気流量を可変範囲の上限値に設定する。
【００４８】
さらにコントローラー５は、ヒーター４６の加熱温度（出力）を可変範囲の上限値に設定する。このため、ヒーター４６による冷却水の加熱と自己発熱との双方によって、燃料電池スタック１の温度は、早期に発電に適した温度に到達して燃料電池スタック１の暖機が完了する。
【００４９】
このように、暖機促進運転においてカソードコンプレッサー２３及びヒーター４６の双方で消費される発電電力を増やすことによって、燃料電池スタック１の発熱量を高めている。これにより、燃料電池スタック１を起動してから燃料電池スタック１の暖機が完了するまでの起動時間を短縮することができる。
【００５０】
しかしながら、燃料電池システムは、車両の使用環境によって、例えば氷点下マイナス３０℃の低温時に起動される場合がある。このような場合、燃料電池スタックの発電に伴い電解質膜で生成される生成水が電解質膜から溢れ出すと、溢れ出した生成水は氷点下のため凍ってしまう。その結果、燃料電池システムの零下起動時に燃料電池スタックを暖機するときには、生成水の凍結によって電解質膜を通るガスの拡散性が悪くなり、発電ができなくなるおそれがある。
【００５１】
そこで、本実施形態では、氷点温度まで上昇したときの燃料電池の生成水量を事前に推定し、その生成水量が電解質膜で保水できる保水量の上限値を超えるときには、生成水の増加量あたりの燃料電池の温度上昇量を高くする暖機制御に切り替える。
【００５２】
図２は、コントローラー５における暖機制御部の機能を示す構成図である。
【００５３】
暖機制御部５０は、燃料電池システム１０の零下起動時において、カソードコンプレッサー２３や、ヒーター４６などへ供給される電力を制御することによって燃料電池スタック１を暖機する。暖機制御部５０は、生成水量演算部１００と凍結対策制御部２００とを備える。
【００５４】
生成水量演算部１００は、燃料電池スタック１に対する起動命令を受けると、燃料電池の湿潤度と、燃料電池の温度と、暖機時の発電電力とに基づいて、燃料電池の温度が氷点温度まで上昇する間に電解質膜で生成される生成水の量（以下「生成水量」という。）を演算する。なお、具体的な構成については図３を参照して後述する。
【００５５】
生成水量演算部１００は、演算した生成水量を、電解質膜で生成される生成水量の超過の有無を判定するための判定信号として、凍結対策制御部２００に出力する。
【００５６】
なお、生成水量演算部１００は、凍結対策制御部２００に生成水量を出力する代わりに、生成水量が保水量閾値を超える否かを判断してその結果を凍結対策制御部２００に出力するようにしてもよい。例えば、生成水量演算部１００は、生成水量が保水量閾値を超えると判断した場合には、凍結対策運転指令を出力し、生成水量が保水量閾値を超えないと判断した場合には、通常の暖機促進運転指令を出力する。保水量閾値は、電解質膜から生成水が漏れ出すことを検出するための閾値であり、実験データ等により設定される。
【００５７】
凍結対策制御部２００は、生成水量演算部１００で演算された生成水量が保水量閾値を超えないときには、通常の暖機促進運転を実行する。暖機促進運転では、凍結対策制御部２００は、燃料電池スタック１の発電に必要な電力よりも大きな電力（以下「暖機電力」という）をカソードコンプレッサー２３へ供給するとともに、ヒーター４６に対して可変範囲内の最大電力を暖機に必要な所定の電力として供給する。
【００５８】
一方、凍結対策制御部２００は、生成水量が保水量閾値を超えるときには、凍結対策運転を実行する。すなわち、凍結対策制御部２００は、暖機促進運転時と比較して、カソードコンプレッサー２３に対するヒーター４６への電力割合を高くする。
【００５９】
図３は、本実施形態における生成水量演算部１００の詳細を示す構成図である。
【００６０】
生成水量演算部１００は、第１水温センサー４７からのスタック出口水温と、第２水温センサー４８からのスタック入口水温との平均値である平均温度を、燃料電池温度として算出する。また、生成水量演算部１００は、抵抗検出部５１から燃料電池の抵抗値を取得する。
【００６１】
生成水量演算部１００には、燃料電池抵抗値と燃料電池温度とが保持されている。この燃料電池抵抗値と燃料電池温度とは、共に燃料電池スタック１の前回停止時に検出された検出値である。零下起動時では、一般的に燃料電池スタック１の凍結が原因で燃料電池の抵抗値が高くなることがある。この場合には、燃料電池の湿潤度と抵抗値との相関関係のズレが大きくなり、燃料電池の湿潤度の誤差が大きくなる可能性がある。そのため、相関関係のズレが比較的小さい前回停止時の燃料電池の抵抗値と温度を用いることによって、起動時の燃料電池の湿潤度の算出精度を高めることができる。
【００６２】
生成水量演算部１００は、燃料電池保水量演算部（以下「保水量演算部」という。）１１０と、燃料電池発電生成水量演算部（以下「発電生成水量演算部」という。）１１１と、燃料電池保水量算出部１１２と、時間算出部１２０と、生成速度算出部１３０と、積算量推定部１４０と、生成水量算出部１５０と、を備える。
【００６３】
保水量演算部１１０は、燃料電池スタック１に対する起動命令を受けると、前回停止時の燃料電池温度と燃料電池抵抗値とに基づいて、電解質膜（燃料電池）の保水量を初期値として算出する。そして保水量演算部１１０は、燃料電池保水量の初期値を積算部１１３に出力する。
【００６４】
本実施形態では、保水量演算部１１０には、燃料電池の温度ごとに、燃料電池抵抗値と湿潤度との関係を示す相関データが予め記憶されている。保水量演算部１１０は、前回停止時の燃料電池温度と燃料電池抵抗値とを取得すると、燃料電池温度の相関データを参照して燃料電池の湿潤度を演算する。そして保水量演算部１１０は、燃料電池の湿潤度と保水量への換算係数とを用いて初期値を算出する。
【００６５】
発電生成水量演算部１１１は、演算周期中の発電状態に基づいて発電生成水量を演算する。例えば、発電生成水量は式（３）で表すことができる。式（３）では、発電生成水量をＷｖ[g/sec]、発電電流をＩ[A]、ファラデー定数をＦ[C/mol]、反応物1モル当たりに生成（もしくは消費）する電子の数をｎ、燃料電池１のセル枚数をＮｃ[cell]、水の分子量をＭｗ[g/mol]で表す。
【００６６】
【数１】
0005939312.tif 000003
【００６７】
発電生成水量演算部１１１は、式３を用いて単位時間あたりの発電生成水量を算出して演算周期乗算部１１１１に出力する。演算周期乗算部１１１１は、単位時間あたりの発電生成量に演算周期の値を乗算して演算周期ごとの発電生成水量を演算結果として燃料電池保水量算出部１１２に出力する。
【００６８】
上記以外の方法でも例えば、抵抗検出部５１で抵抗値を検出できる条件が成立したときは、保水量演算部１１０によって、演算周期ごとに燃料電池温度と燃料電池抵抗値を新たに取得して相関データを用いて保水量を順次算出し、その算出した値を燃料電池保水量算出部１１２の演算結果として用いてもよい。なお、保水量演算部１１０に、燃料電池の温度に応じて抵抗値を補正する補正値を示す補正データを予め記録しておき、その補正データに示された補正値に基づいて保水量を算出するようにしてもよい。
【００６９】
燃料電池保水量算出部１１２は、燃料電池保水量算出部１１２の演算結果の前回値に、発電生成水量演算部１１１の演算結果を加算することで、現在の燃料電池の保水量を算出する。
【００７０】
時間算出部１２０は、予め設定された凍結対策運転（暖機）時の発電電力に基づいて、零下で燃料電池スタック１が起動してから０（ゼロ）℃近傍に到達するまでの時間（以下「発電昇温時間」という。）を算出する。発電電力の設定値は、暖機促進運転時の発電電力よりも小さく、生成水量演算部１００に予め記録されている。
【００７１】
ここで、時間算出部１２０には、暖機促進運転時の発電電力を入力してもよい。しかし、燃料電池のＩＶ特性は一般的に燃料電池温度が低いほど、損失（発熱量）が大きくなるため、本実施形態では、生成水量ＳＷＯが保水量閾値を超えない範囲では先に暖機促進運転を実施してより多くの発熱量を発生させ、生成水量ＳＷＯが保水量閾値を超える前に凍結対策運転に移行する。この方が、早期に燃料電池温度が上昇して生成水量ＳＷＯの推定精度が高くなり、燃料電池スタック１内の水の凍結によって発電不能になることを防止でき、かつ、暖機時間を最短にできるため、凍結対策運転時の発電電力を入力とした。
【００７２】
時間算出部１２０は、目標昇温幅算出部１２１と、目標発熱量算出部１２２と、燃料電池システム発熱量演算部（以下、単に「発熱量演算部」という）１２３と、昇温時間算出部１２４と、を備える。
【００７３】
目標昇温幅算出部１２１は、燃料電池スタック１が目標氷点温度に到達するまでに生成される生成水量を求めるため、冷却水温度を目標氷点温度から減算した値を、目標昇温幅として算出する。
【００７４】
目標氷点温度としては、例えば０℃近傍の温度が設定される。また、冷却水温度は、燃料電池スタック１の温度として用いられる。本実施形態では、冷却水温度としてスタック入口水温が用いられる。通常、スタック入口水温は、スタック出口水温よりも低い値を示すことになることから、スタック出口水温を用いるよりも生成水量を多く見積もることができる。このため、生成水量の推定誤差が原因で、零下で電解質膜から生成水が漏れ出すことを防ぐことができる。すなわち、生成水の凍結防止のために安全側の温度としてスタック入口水温が用いられる。
【００７５】
目標発熱量算出部１２２は、燃料電池システム容量と目標昇温幅とを乗算した値を、目標発熱量として昇温時間算出部１２４に出力する。なお、燃料電池システム容量は、燃料電池スタック１と冷却水循環通路４１と冷却水の熱容量を考慮して決定される。また、生成水量の推定精度を上げるためには、外部に放熱する熱量を加味するのが望ましい。
【００７６】
発熱量演算部１２３は、暖機時の発電電力の設定値に基づいて、燃料電池スタック１の昇温に寄与する燃料電池システム１０の発熱量を算出する。発熱量演算部１２３は、算出された発熱量を昇温時間算出部１２４に出力する。
【００７７】
本実施形態では、発熱量演算部１２３には、目標氷点温度での電池特性情報が予め記録されている。電池特性情報には、燃料電池スタック１の発電電流に応じた電池電圧、すなわち電流電圧（ＩＶ）特性が示されている。発熱量演算部１２３は、電池特性情報を参照して、暖機時の発電電力に基づいて電池電圧を特定し、その電池電圧と理論電圧との差分に基づいて、燃料電池スタック１の発電による発熱量を算出する。
【００７８】
一般に、燃料電池温度が低いほど、電池特性は悪くなり、燃料電池の発電効率が悪くなるので燃料電池スタック１の出力電圧と理論電圧との差が大きくなる。すなわち、燃料電池温度が低くなるほど、燃料電池スタック１の発熱量が大きくなり、その結果として電解質膜で生成される生成水量は多くなる。したがって、０℃近傍での電池特性情報を用いることで、零下起動時に見積もられる生成水量は、実際の生成水量よりも安全サイドの値を示すことになる。
【００７９】
昇温時間算出部１２４は、目標発熱量算出部１２２からの目標発熱量を、発熱量演算部１２３からの燃料電池システム１０の発熱量で除算し、除算した値を発熱昇温時間として、積算量推定部１４０に出力する。
【００８０】
生成速度算出部１３０は、暖機時の発電電力の設定値に基づいて単位時間あたりの生成水の増加量、すなわち生成水量の増加速度を算出する。
【００８１】
本実施形態では、生成速度算出部１３０に、目標氷点温度での電池特性情報が予め記録されている。電池特性情報には、上述のとおり、燃料電池スタック１の発電電流と電池電圧との関係が示されている。
【００８２】
生成速度算出部１３０は、暖機時の発電電力の設定値を取得すると、電池特性情報を参照して、発電電力の設定値に関連付けられた発電電流の値を特定する。そして生成速度算出部１３０は、特定した発電電流と換算係数とに基づいて単位時間あたりの生成水量を算出する。また生成速度算出部１３０は、単位時間あたりの生成水量を積算量推定部１４０に出力する。
【００８３】
積算量推定部１４０は、生成速度算出部１３０からの単位時間あたりの生成水量と、昇温時間算出部１２４からの発電昇温時間と、に基づいて生成水の積算量を推定する。この推定値は、燃料電池システム１０を起動してから目標氷点温度に達するまでに暖機促進運転によって電解質膜で生成される生成水量である。
【００８４】
本実施形態では積算量推定部１４０は、単位時間あたりの生成水量に発電昇温時間を乗算した値を、生成水の積算量として生成水量算出部１５０に出力する。
【００８５】
生成水量算出部１５０は、生成水の積算量と保水量演算部１１０からの保水量とを加算した値を、燃料電池が氷点温度まで到達した時点の電解質膜全体の生成水量の推定値として算出する。
【００８６】
このように、生成水量演算部１００は、燃料電池システム１０の熱容量と、暖機時の発電電力の設定値とに基づいて、起動時の冷却水温度から目標氷点温度までの昇温に必要な発電昇温時間を算出する。そして生成水量演算部１００は、ＩＶ特性を用いて暖機時の発電電力から単位時間あたりの発熱量を算出し、その単位時間あたりの発熱量に発熱昇温時間を乗算して生成水の積算量を推定する。
【００８７】
さらに生成水量演算部１００は、起動時の電解質膜の保水量を、前回停止時の燃料電池の温度と抵抗値を用いて算出し、起動時の電解質膜の保水量と生成水の積算量とを合計して、燃料電池が氷点温度まで昇温したときの電解質膜全体の生成水量を推定する。さらに生成水量演算部１００は、暖機促進運転中に発電電流に応じて現在の燃料電池の保水量を更新し、現在の燃料電池保水量と生成水の積算量を合計して、燃料電池が氷点温度まで昇温したときの電解質膜全体の生成水量を推定する。これにより、燃料電池が氷点温度まで暖機されるまでに電解質膜全体の生成水量が、電解質膜の保水量の上限値を超えるか否を判断することが可能となる。
【００８８】
図４は、凍結対策制御部２００の詳細を示す構成図である。
【００８９】
凍結対策制御部２００は、燃料電池の発電に最低限必要な発電電流の値として、燃料電池目標電流を取得する。また、凍結対策制御部２００は、生成水量演算部１００から生成水量を示す制御信号を受け付ける。
【００９０】
凍結対策制御部２００は、生成水量演算部１００からの制御信号に基づいて暖機促進運転を凍結対策運転に切り替え、燃料電池目標電流に基づいてカソードコンプレッサー２３の目標空気流量と目標空気圧力を決定する。
【００９１】
凍結対策制御部２００は、発電空気流量演算部２１０と、暖機空気流量保持部２２０と、無効情報保持部２２１と、暖機切替部２３０と、目標空気流量算出部２４０とを備える。そして凍結対策制御部２００は、発電空気圧力演算部３１０と、暖機空気圧力保持部３２０と、無効情報保持部３２１と、暖機切替部３３０と、目標空気圧力算出部３４０とを備える。
【００９２】
発電空気流量演算部２１０は、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な燃料電池目標値と換算係数とに基づいて発電空気流量を算出する。
【００９３】
暖機空気流量保持部２２０は、暖機促進運転に必要な暖機空気流量を保持する。暖機空気流量は、発電空気流量よりも大きな値である。例えば、暖機空気流量保持部２２０には、カソードコンプレッサー２３の空気流量を設定できる範囲の上限値が保持される。
【００９４】
無効情報保持部２２１は、暖機促進運転を無効にして運転状態を凍結対策運転に切り替えるための無効情報を保持する。無効情報保持部２２１には、例えば、発電空気流量よりも小さな値として０（ゼロ）を示す無効情報が保持される。
【００９５】
暖機切替部２３０は、生成水量演算部１００からの制御信号に応じて、暖機空気流量保持部２２０又は無効情報保持部２２１のいずれかの情報を、目標空気流量算出部２４０に出力する。暖機切替部２３０は、例えばスイッチ回路により実現される。
【００９６】
暖機切替部２３０は、制御信号により示される生成水量が保水量閾値よりも大きい場合には、氷点温度に達する前に電解質膜から生成水が漏れ出すと判断し、無効情報保持部２２１から空気流量についてゼロを示す無効情報を出力する。
【００９７】
一方、暖機切替部２３０は、生成水量が保水量閾値よりも小さい場合には、氷点温度に達しても生成水が電解質膜から漏れ出ないと判断し、暖機空気流量保持部２２０からの暖機空気流量を出力する。
【００９８】
目標空気流量算出部２４０は、発電空気流量と暖機切替部２３０からの情報のうちいずれか大きい方の値を、目標空気流量として出力する。
【００９９】
例えば、目標空気流量算出部２４０は、生成水量が保水量閾値を超えていないときには、暖機空気流量と発電空気流量とのうち、大きい方の暖機空気流量を目標空気流量として出力する。すなわち、目標空気流量算出部２４０は、電解質膜から生成水が漏れ出さないときは、燃料電池スタック１の暖機に必要な空気流量をカソードコンプレッサー２３に設定する。
【０１００】
一方、目標空気流量算出部２４０は、生成水量が保水量閾値を超えるときには、空気流量についてゼロを示す無効情報と発電空気流量とのうち、大きい方の発電空気流量を目標空気流量として出力する。すなわち、目標空気流量算出部２４０は、生成水が電解質膜から漏れ出すときは、事前に、発電に最低限必要な空気流量をカソードコンプレッサー２３に設定する。これによって、燃料電池システム１０の暖機運転状態は、凍結対策運転に移行するため、電解質膜での生成水の増加量（増加速度）が抑制される。
【０１０１】
次にカソードコンプレッサー２３の目標空気圧力の設定について説明する。
【０１０２】
発電空気圧力演算部３１０は、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な燃料電池目標値と換算係数とに基づいて発電空気圧力を算出する。
【０１０３】
暖機空気圧力保持部３２０は、暖機促進運転に必要な暖機空気圧力を保持する。暖機空気圧力は、発電空気圧力よりも大きな値である。例えば、暖機空気圧力保持部３２０には、カソードコンプレッサー２３及びカソード調圧弁２５によって定まる空気圧力設定範囲の上限値が保持される。
【０１０４】
無効情報保持部３２１は、暖機促進運転を無効にして運転状態を凍結対策運転に切り替えるための無効情報を保持する。無効情報保持部３２１には、発電空気圧力よりも小さな値として０（ゼロ）を示す無効情報が保持される。
【０１０５】
暖機切替部３３０は、生成水量演算部１００からの制御信号に応じて、暖機空気圧力保持部３２０又は無効情報保持部３２１のいずれかの情報を、目標空気圧力算出部３４０に出力する。暖機切替部３３０は、例えばスイッチ回路により実現される。
【０１０６】
暖機切替部３３０は、制御信号により示された生成水量が保水量閾値よりも大きい場合には、氷点温度に達する前に電解質膜から生成水が漏れ出すと判断し、無効情報保持部３２１から空気圧力についてゼロを示す無効情報を出力する。
【０１０７】
一方、暖機切替部３３０は、生成水量が保水量閾値よりも小さい場合には、氷点温度に達しても生成水が電解質膜から漏れ出ないと判断し、暖機空気圧力保持部３２０からの暖機空気圧力を出力する。
【０１０８】
目標空気圧力算出部３４０は、発電空気圧力と暖機切替部３３０からの情報のうちいずれか大きい方の値を、目標空気圧力として出力する。
【０１０９】
例えば、目標空気圧力算出部３４０は、生成水量が保水量閾値を超えていないときには、暖機空気圧力と発電空気圧力とのうち、大きい方の暖機空気圧力を目標空気圧力として出力する。すなわち、目標空気圧力算出部３４０は、電解質膜から生成水が漏れ出さないときは、燃料電池スタック１の暖機に必要な空気圧力に基づいて、カソードコンプレッサー２３とカソード調圧弁２５に設定する。
【０１１０】
一方、目標空気圧力算出部３４０は、生成水量が保水量閾値を超えるときには、空気圧力についてゼロを示す無効情報と発電空気圧力とのうち、大きい方の発電空気圧力を目標空気流量として出力する。すなわち、目標空気圧力算出部３４０は、生成水が電解質膜から漏れ出すときは、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な空気圧力に基づいてカソードコンプレッサー２３とカソード調圧弁２５とを制御する。これによって、燃料電池システム１０の運転状態が凍結対策運転に移行するため、電解質膜で生成される生成水の単位時間あたりの増加量が抑制される。
【０１１１】
このように、燃料電池が０℃になる前に生成水量が電解質膜から溢れ出すと予測されたときには、凍結対策制御部２００が、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な発電電流に基づいてカソードコンプレッサー２３とカソード調圧弁２５とを調整する。これにより、空気流量及び空気圧力が小さくなるので、燃料電池スタック１の発熱量を抑えることができる。一方、暖機制御部５０はヒーター４６への供給電力を一定に維持している。
【０１１２】
このため、暖機制御部５０は、凍結対策運転に切り替えることで、燃料電池スタック１からヒーター４６への供給電力を一定にした状態で、カソードコンプレッサー２３への供給電力を下げる。これにより、カソードコンプレッサー２３への供給電力に対するヒーター４６への供給電流の電力割合を高くすることができる。
【０１１３】
したがって、電解質膜の生成水量の発生を低減しつつ、ヒーター４６による燃料電池スタック１への放熱量は一定に維持される。このように、暖機制御部５０は、生成水量の増加速度を下げつつ、燃料電池への放熱量は変えないので、単位生成水量あたりの温度上昇量を高くすることができる。
【０１１４】
次にコントローラー５における暖機制御部５０の動作の詳細について説明する。
【０１１５】
図５は、暖機制御部５０の制御方法を示すフローチャートである。
【０１１６】
まず、ステップＳ９０１において保水量演算部１１０は、燃料電池スタック１の起動命令を受けると、予め定められた相関データを用いて前回停止時の燃料電池温度と燃料電池抵抗値とに基づいて、燃料電池の湿潤度を算出する。
【０１１７】
ステップＳ９０２において保水量演算部１１０は、第２水温センサー４８からのスタック入口温度を取得する。
【０１１８】
ステップＳ９０３において保水量演算部１１０は、燃料電池の湿潤度と換算係数とを用いて電解質膜の保水量を初期値として算出する。そして燃料電池保水量算出部１１２は、保水量の初期値と、燃料電池発電生成水量演算部１１１からの演算結果とを用いて現在の電解質膜の保水量を算出する。すなわち、燃料電池保水量算出部１１２は、暖機促進運転中に発電電流に応じて現在の電解質膜の保水量を更新する。
【０１１９】
ステップＳ９０４において生成水量算出部１５０は、電解質膜の保水量と凍結対策運転時の発電電力の設定値とスタック入口温度とに基づいて、暖機促進運転により電解質膜で生成される生成水の積算量と保水量とを合計した生成水量ＳＷＯを算出する。
【０１２０】
具体的には、昇温時間算出部１２４は、凍結対策運転時の発電電力の設定値と、燃料電池システム１０の熱容量と、スタック入口温度とに基づいて、スタック入口温度から０℃に昇温されるまでの発電昇温時間を算出する。また、生成速度算出部１３０は、ＩＶ特性情報を用いて発電電力の設定値から単位時間あたりの燃料電池スタック１の発熱量を算出し、積算量推定部１４０は、単位時間あたりの燃料電池スタック１の発熱量に対し発電昇温時間を乗算して生成水の積算量を算出する。そして生成水量算出部１５０は、積算量推定部１４０からの生成水の積算量と、燃料電池保水量算出部１１２からの保水量と、を加算して生成水量ＳＷＯを算出する。
【０１２１】
ステップＳ９０５において暖機制御部５０は、生成水量ＳＷＯが保水量閾値を超えるか否かを判断する。そして暖機制御部５０は、生成水量ＳＷＯが保水量閾値を超えると判断したときは、ステップＳ９０８に進む。
【０１２２】
ステップＳ９０８において、暖機制御部５０は、スタック入口温度が０℃を超えているか否かを判断する。暖機制御部５０は、スタック入口温度が０℃を超えていると判断したときは、ステップＳ９０６に進み、暖機促進運転を実行する。
【０１２３】
一方、ステップＳ９０８でスタック入口温度が０℃を超えていないと判断した場合は、ステップＳ９０９に進み、凍結対策運転を実行する。ステップＳ９０９では、暖機制御部５０は、カソードコンプレッサー２３に対するヒーター４６への電力割合を高くする凍結対策運転を実行する。本実施形態では、暖機制御部５０は、燃料電池スタック１からヒーター４６への供給電力を変更せずに、カソードコンプレッサー２３とカソード調圧弁２５を制御して、燃料電池スタック１に供給される空気流量と空気圧力を発電に最低限必要な値にまで低下させる。
【０１２４】
そして、暖機制御部５０は、所定の演算周期（例えば、１００ｍｓ）でステップＳ９０２からの一連の処理を実行し、燃料電池１が暖機完了するまで繰り返す。
【０１２５】
一方、ステップＳ９０５において暖機制御部５０は、生成水量ＳＷＯが保水量閾値を超えていないと判断したときは、ステップＳ９０６に進む。
【０１２６】
一方、ステップＳ９０５で生成水量ＳＷＯが保水量閾値を超えないと判断したときは、ステップＳ９０６において、暖機制御部５０は、スタック入口温度が、例えば６０℃の発電温度に達するまで暖機促進運転を実行する。本実施形態では、暖機制御部５０は、ヒーター４６とカソードコンプレッサー２３を可変範囲の上限値に設定する。そして暖機制御部５０は、燃料電池の温度が発電に適した温度に達した場合には暖機が完了したと判断して暖機促進運転を終了する。
【０１２７】
そして暖機制御部５０は、所定の演算周期（例えば１００ｍｓ）で、ステップＳ９０２からの一連の処理を実行し、燃料電池１が暖機完了するまで繰り返す。
【０１２８】
そして暖機制御部５０は、冷却水温度が０℃以上、又は、生成水量ＳＷＯが保水閾値未満になると、燃料電池システム１０の暖機運転状態を、凍結対策運転から通常の暖機促進運転に移行する。そして燃料電池の温度が発電に適した温度に達した場合には暖機を終了する。
【０１２９】
図６は、凍結対策運転による燃料電池システムの状態変化の一例を示す図である。図６（ａ）は、燃料電池スタック１の保水量の変化を示す図である。図６（ｂ）は、スタック入口温度の変化を示す図である。図６（ｃ）は、燃料電池スタック１から補機への供給電力に対するヒーター４６への供給電力の割合の変化を示す図である。図６（ｄ）は、スタック供給空気量の変化を示す図である。図６（ｅ）は、スタック入口空気圧力の変化を示す図である。
【０１３０】
図６（ａ）〜図６（ｅ）には、暖機促進運転から凍結対策運転へ移行したときの変化が実線で示され、暖機促進運転のみで起動したときの変化が点線で示されている。また、横軸が時間であり、縦軸が燃料電池保水量Ｗ、スタック入口温度、ヒータ電力/補機電力、スタック供給空気流量、スタック入口空気圧力である。
【０１３１】
図６（ａ）に示すように、暖機促進運転によって起動時の保水量Ｗ０から、スタック入口温度（冷却水温度）が上昇するにつれて保水量が上昇する。
【０１３２】
暖機制御部５０は、起動時の保水量Ｗ０を取得するとともに、暖機促進運転によって燃料電池が零下温度Ｔ０から０℃に到達するまでに電解質膜で生成される生成水の積算量を推定し、保水量Ｗ０と積算量を合計して生成水量を算出する。そして暖機制御部５０は、生成水量が上限値Ｗｍａｘを超えるか否かを判断する。
【０１３３】
実線で示した運転状態では、凍結対策運転時の発電電力を継続した場合に、燃料電池が０℃に達したときの生成水量が保水量の上限値Ｗｍａｘを超えるかを遂次判断し、保水量の上限値Ｗｍａｘを超えると判断した時点で、暖機促進運転から凍結対策運転に切り替えている。すなわち、暖機制御部５０は、燃料電池スタック１からヒーター４６への供給電力を一定にした状態で、カソードコンプレッサー（補機）２３への供給電力を下げて燃料電池スタック１に供給される空気流量と空気圧力を低くする。これにより、図６（ｃ）に示すように補機に対するヒーターの電力割合は高くなる。
【０１３４】
この結果、燃料電池スタック１の発電電流が低下し、燃料電池で生成される生成水量が減少する。一方、ヒーター４６への供給電力は一定に維持しているため、ヒーター４６による燃料電池スタック１への放熱量は変わらない。
【０１３５】
したがって、生成水量の発生量を低減しつつ、燃料電池の温度上昇量の低下を最小限とすることができる。このため、図６に示すように、暖機運転中に暖機促進運転から凍結対策運転に切り替えると、単位生成水あたりの燃料電池への加熱量が大きくなるので、０℃に達する前に生成水が電解質膜から溢れ出して凍結することを回避できる。
【０１３６】
なお、本実施形態では、凍結対策運転において、燃料電池スタック１から、ヒーター４６への供給電力は一定に維持し、カソードコンプレッサー２３への供給電力を下げることで、カソードコンプレッサー２３に対するヒーター４６への電力割合を高くしている。しかし、ヒーター４６への供給電力をさらに上がることが可能な場合には、燃料電池スタック１からカソードコンプレッサー２３への供給電力を下げた分をヒーター４６への電力供給に割り当てるようにしてもよい。この場合には、単位生成水あたりの燃料電池の昇温速度を速くすることができるとともに、暖機時間をより短くすることができる。
【０１３７】
本実施形態によれば、生成水量演算部１００は、燃料電池の湿潤度と温度と暖機時の発電電力とに基づいて、燃料電池の温度が氷点温度まで上昇する間に電解質膜で生成される生成水量を演算する。凍結対策制御部２００は、算出された生成水量が保水量閾値を超えるときには、燃料電池の暖機時においてカソードコンプレッサー２３に対するヒーター４６への電力割合を高くする。
【０１３８】
燃料電池の暖機は、発電による自己発熱によって行われるところ、ヒーター４６の場合は冷却水に供給した熱量によっても暖機される。このため、ヒーター４６とカソードコンプレッサー２３とで燃料電池を暖機する場合、ヒーター４６の電力割合を増やした方が、発電量(≒生成水量)に対する燃料電池の温度上昇量が多くなる。
【０１３９】
このため、暖機時に生成水量が保水量閾値を超えて生成水が凍結する可能性があるときは、カソードコンプレッサー２３に対するヒーター４６の電力割合を高くすることで、生成水量が電解質膜から溢れ出す前に燃料電池の暖機（氷点以上）を完了できる。したがって、燃料電池スタック１で生成水が凍結することを防止できる。
【０１４０】
また、本実施形態では、暖機制御部５０は、暖機促進運転において、燃料電池スタック１から、カソードコンプレッサー２３に対し、発電に最低限必要な電力よりも大きな暖機電力を供給するとともに、暖機に必要な所定電力をヒーター４６へ供給する。そして凍結対策制御部２００は、暖機電力の低減によってヒーター４６への電力割合を高くする。
【０１４１】
このため、ヒーター４６から冷却水に供給される熱量を維持しつつ、カソードコンプレッサー２３から燃料電池スタック１への空気量を抑えて発電に伴う生成水量の増加速度を低下させることができる。したがって、生成水量の低減と暖機時間の遅れを最小限にすることができる。
【０１４２】
また、本実施形態では、凍結対策制御部２００は、生成水量が保水量閾値を超えるときには、カソードコンプレッサー２３への暖機電力の供給を停止し、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な発電電流に基づく空気量でカソードコンプレッサー２３を制御する。
【０１４３】
このように、凍結対策制御部２００は、カソードコンプレッサー２３への供給電力の下げ幅を、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な電力値に設定する。これにより、燃料電池スタック１への空気量の供給不足が原因で、燃料電池スタック１の発電状態が不安定になることを回避できる。
【０１４４】
また、本実施形態では、積算量推定部１４０は、燃料電池の温度と暖機時の発電電力の設定値とに基づいて、燃料電池スタック１を起動してから０℃近傍に到達するまでの発電昇温時間を算出して生成水の積算量を推定する。生成水量算出部１５０は、燃料電池の湿潤度に基づく保水量と生成水の積算量との合計を生成水量として算出する。
【０１４５】
このように、生成水量演算部１００は、発電昇温時間に基づく生成水の積算量に加えて、燃料電池の湿潤度に基づく保水量を求めることによって、燃料電池スタック１が起動してから０℃近傍に到達するタイミングでの生成水量を精度よく推定することができる。したがって、零下で電解質膜から生成水が溢れ出すか否かを正確に判定することが可能となる。
【０１４６】
また、本実施形態では、暖機制御部５０は、燃料電池スタック１の停止時に燃料電池の抵抗値を検出する。生成水量演算部１００は、零下起動時に停止時の抵抗値に基づいて燃料電池の湿潤度を算出する。
【０１４７】
これにより、生成水量演算部１００は、燃料電池の凍結が原因で抵抗値が大きくなっても、前回停止時の抵抗値を用いて湿潤度を算出するので、燃料電池の凍結による湿潤度の誤差の変動を防ぐことができる。したがって、生成水量の推定精度を高めることができる。
【０１４８】
また、本実施形態では、発熱量演算部１２３には、燃料電池の発電電流に応じた電池電圧を示す電池特性情報が予め記憶されている。そして発熱量演算部１２３は、電池特性情報を用いて、暖機時の発電電力の設定値に基づいて電池電圧を特定し、その電池電圧と理論電圧との差分に基づいて燃料電池スタック１の発熱量を算出する。
【０１４９】
これにより、発熱量演算部１２３は、暖機時の発電電力による燃料電池スタック１の発熱量を精度よく求めることができる。したがって、生成水量の推定精度をより高めることができる。
【０１５０】
また、本実施形態では、生成速度算出部１３０は、暖機時の発電電力の設定値に基づいて電池特性情報により発電電流を特定し、その発電電流に変換係数を乗算して単位時間あたりの生成水量を算出する。そして積算量推定部１４０は、単位時間あたりの生成水量と発電昇温時間とに基づいて、燃料電池温度が０℃近傍に到達するまでに生成される積算量を算出する。
【０１５１】
このように生成水量演算部１００は、燃料電池のＩＶ特性から、暖機時の発電電力に対応する発電電流を求め、その発電電流によって生成水の積算量を算出する。このため、ＩＶ特性を考慮して発電電流が求められるので、積算量の推定精度を高めることができる。
【０１５２】
また、本実施形態では、生成水の積算量を推定するための燃料電池の温度として、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（スタック入口温度）が用いられる。スタック入口水温は、実際の燃料電池スタック１の温度よりも低いので、生成水量演算部１００での生成水量は多めに見積もられる。このため、安全サイドで、燃料電池スタック１の運転状態を凍結対策運転に切り替えることができる。
【０１５３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１５４】
例えば、本実施形態では、ヒーター４６への電力割合を高くするために、燃料電池スタック１への空気流量および空気圧力を、暖機要求から発電に必要な空気流量および空気圧力に同時に切替える構成としたが、切替えの方法は、同時に限らず、どちらかを先行して切替えるようにしてもよいし、暖機要求から発電要求の間で可変にしてもよい。このようにして、スタック入口冷却水温度が氷点に到達したときに燃料電池保水量がＷｍａｘになるように制御することで、暖機時間が最小時間になるようにすることができる。
【０１５５】
また、本実施形態では冷却水の入口温度が０℃であるかに基づいて、冷却水の入口温度が氷点温度であるか否かを判断したが、氷点温度は０℃に限定されるものではなく、本発明の効果を得られるならば、０℃以外であってもよい。
【０１５６】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０１５７】
本願は、２０１３年１月９日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−００２１３４に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
0005939312.tif 000004
【図２】
0005939312.tif 000005
【図３】
0005939312.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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