(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池における温度分布の不均一を抑制しつつ、燃料電池の氷点下からの起動を速やかに行う。【解決手段】燃料電池システムにおいて、制御ユニットのＣＰＵは、燃料電池スタックの氷点下からの起動時に、燃料電池スタックを循環するＬＬＣの循環流量が第１の循環流量Ｆ１となるように、ＬＬＣの循環ポンプを制御する。第１の循環流量Ｆ１は、燃料電池スタックにおける温度分布の不均一を抑制可能な範囲内で設定される。その後、ＣＰＵは、燃料電池スタックから流れる電流の電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１以下になった場合であって、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが第１の閾値ＴＨ１以上、かつ、０未満である状態が第１の期間ｔ１秒以上継続した場合に、燃料電池スタックを循環するＬＬＣの循環流量が第１の循環流量Ｆ１よりも少ない第２の循環流量Ｆ２となるように、循環ポンプを制御する。【選択図】図２
2013218923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池から流れる電流の電流値を周期的に測定する電流値測定部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記燃料電池を循環する前記冷却媒体の循環流量が第１の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御し、
その後、前記電流値が第１の閾電流値以下になった場合であって、前記電流値の時間変化率が第１の閾値以上、かつ、０未満である状態が第１の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第１の循環流量よりも少ない第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が第１の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第１の閾電流値よりも小さい第２の閾電流値以下になった場合に、前記循環流量が前記第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第１の閾電流値よりも大きい第３の閾電流値以上になった場合であって、前記電流値の時間変化率が０よりも大きく、かつ、第２の閾値以下である状態が第２の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第２の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第３の閾電流値よりも大きい第４の閾電流値以上になった場合に、前記循環流量が前記第２の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に流入する前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御部は、前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度が０（℃）以上となった場合に、前記燃料電池の氷点下からの起動時に実行される前記冷却媒体循環部の制御を停止する、
燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、を備え、
前記燃料電池システムの起動方法は、
前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記燃料電池を循環する前記冷却媒体の循環流量が第１の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する工程と、
前記燃料電池から流れる電流の電流値を周期的に測定する工程と、
前記電流値が第１の閾電流値以下になった場合であって、前記電流値の時間変化率が第１の閾値以上、かつ、０未満である状態が第１の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第１の循環流量よりも少ない第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する工程と、
を備える燃料電池の起動方法。
【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、および、燃料電池システムの起動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、上記電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池において適切な温度範囲内で発電を行うために、燃料電池には、冷却媒体が循環される。また、燃料電池システムの起動時には、燃料電池の温度を発電に適切な温度まで昇温するための暖機運転も行われる。この暖機運転は、燃料電池システムの効率を考慮して、燃料電池を昇温するための外部ヒータ等を用いることなく、燃料電池の自己発熱によって行われることが多い。
【０００３】
そして、従来、燃料電池システムを速やかに起動するための種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。例えば、下記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、燃料電池スタック電圧、燃料電池スタック温度、および、燃料電池スタック電流の時間に対する変位量がそれぞれ正か負かに基づいて、燃料電池からの放熱量、例えば、燃料電池に循環させる冷却流体量等を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６５９３０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７４６８号公報
【特許文献３】特開２００８−３００２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池では、発電時に、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、燃料電池システムを氷点下の環境下で起動する場合、燃料電池の内部で凍結する。そして、燃料電池の内部で生成水が凍結すると、発電面積が減少して発電量が低下し、さらには、発電不能となる場合もある。
【０００６】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、例えば、燃料電池スタック電流の時間に対する変位量の正負に基づいて燃料電池の発電状態を判断するため、燃料電池の発電状態の変化を詳細に把握することができなかった。すなわち、燃料電池の発電状態が、急激に変化しているのか、緩やかに変化しているのか、を把握することができなかった。このため、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池の発電状態に即した起動制御を行うことができなかった。また、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池スタック電圧の時間に対する変位量が正、かつ、燃料電池スタック温度の時間に対する変位量が負であるときに、燃料電池からの放熱量を減少させる制御を行うが、このような制御は、燃料電池システムの氷点下からの起動時には適用できなかった。
【０００７】
さらに、燃料電池システムの氷点下からの起動時に、燃料電池の昇温を速やかに行うために、燃料電池に循環させる冷却媒体の循環流量を低減したり、冷却媒体の循環を停止したりする起動制御を、燃料電池の発電状態を詳細に把握せずに行うと、燃料電池における温度分布が看過できない程度に不均一になる場合がある。そして、燃料電池の内部において生成水が凍結して、局所的にしか発電が行われない場合には、燃料電池の温度が局所的に上昇し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化を招く。また、燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックでは、各燃料電池セルからの放熱量の差異によって、燃料電池セルの積層方向についての温度度分布も不均一となり、燃料電池スタックの変形を招く。
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池における温度分布の不均一を抑制しつつ、燃料電池の氷点下からの起動を速やかに行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池から流れる電流の電流値を周期的に測定する電流値測定部と、
前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を、前記燃料電池に循環させる冷却媒体循環部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記燃料電池を循環する前記冷却媒体の循環流量が第１の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御し、
その後、前記電流値が第１の閾電流値以下になった場合であって、前記電流値の時間変化率が第１の閾値以上、かつ、０未満である状態が第１の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第１の循環流量よりも少ない第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【００１１】
適用例１の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の氷点下からの起動時に、燃料電池による発電を行いつつ、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量が第１の循環流量となるように、冷却媒体循環部を制御する。第１の循環流量は、燃料電池における温度分布の不均一を抑制可能な範囲内で設定される。そして、燃料電池の氷点下からの起動直後は、燃料電池の内部における生成水の凍結により、燃料電池の発電状態が悪化して、燃料電池から流れる電流の電流値は、急激に低下し、次第に緩やかに低下する。そこで、制御部は、燃料電池から流れる電流の電流値、および、電流値の時間変化率に基づいて、冷却媒体循環部を制御する。具体的には、制御部は、燃料電池の発電状態が悪化して、燃料電池から流れる電流の電流値が第１の閾電流値以下になった場合であって、電流値の時間変化率が第１の閾値以上、かつ、０未満である状態、すなわち、電流値が比較的緩やかに低下する状態が第１の期間継続した場合に、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量が第１の循環流量よりも少ない第２の循環流量となるように、冷却媒体循環部を制御する。燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を第２の循環流量に低減することによって、冷却媒体による燃料電池からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱による燃料電池の昇温が促進される。そして、燃料電池の発電状態が回復し、燃料電池から流れる電流が増加する。
【００１２】
なお、第１の閾電流値は、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第１の閾電流値は、燃料電池に循環させる冷却媒体の循環流量を減少させなくても燃料電池の発電状態の回復が期待されるが、第１の閾電流値以下の状態が長時間継続すると、燃料電池の発電状態が回復しないまま、さらに悪化すると推定される値が設定される。そして、第１の閾電流値、電流値の時間変化率についての第１の閾値、および、第１の期間は、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部（例えば、循環ポンプや、循環配管）の設計等に応じて、適宜、変更可能である。また、第２の循環流量も、任意に設定可能である。第２の循環流量は、例えば、第１の循環流量の５０（％）に設定される。
【００１３】
燃料電池から流れる電流の電流値が第１の閾電流値以下になった場合に、即、冷却媒体の循環流量を第２の循環流量に低減して燃料電池の昇温を促進しようとすると、第２の循環流量に低減しなくても、すぐに、自己発熱によって燃料電池の発電状態が回復する可能性があったにも関わらず、燃料電池における温度分布を不均一にするおそれがある。これに対し、適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値が第１の閾電流値以下になった場合であって、さらに、電流値の時間変化率が第１の閾値以上、かつ、０未満である状態、すなわち、電流値が比較的緩やかに低下する状態が第１の期間継続した場合に、冷却媒体の循環流量を第２の循環流量に低減する。そして、燃料電池から流れる電流の電流値が第１の閾電流値以下になった場合であっても、例えば、電流値の時間変化率が０以上である場合には、燃料電池の発電状態が回復しつつあると判断して、冷却媒体の循環流量を低減しない。こうすることによって、自己発熱による燃料電池の発電状態の回復を待ちながら、燃料電池における温度分布の不均一を抑制することができる。
【００１４】
適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値、および、電流値の時間変化率に基づいて、燃料電池の発電状態を詳細に把握し、燃料電池の発電状態に即して冷却媒体循環部を制御することができる。そして、燃料電池における温度分布の不均一を抑制しつつ、燃料電池の氷点下からの起動を速やかに行うことができる。
【００１５】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が第１の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第１の閾電流値よりも小さい第２の閾電流値以下になった場合に、前記循環流量が前記第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【００１６】
適用例２の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値が、電流値の時間変化率が第１の閾値以上、かつ、０未満である状態が第１の期間継続することなく、第２の閾電流値以下になった場合にも、冷却媒体の循環流量を第２の循環流量に低減する。なお、第２の閾電流値も、第１の閾電流値と同様に、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第２の閾電流値は、冷却媒体の循環流量が第１の循環流量のまま発電を継続しても、自己発熱による燃料電池の発電状態の回復が期待できないが、冷却媒体の循環流量を第２の循環流量に低減することによって、自己発熱による燃料電池の発電状態の回復が十分に可能な範囲内で設定される。そして、第２の閾電流値も、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部（例えば、循環ポンプや、循環配管）の設計等に応じて、適宜、変更可能である。適用例２の燃料電池システムによって、燃料電池の氷点下からの起動時に、燃料電池の発電状態が悪化し、燃料電池から流れる電流が低下しすぎて、燃料電池が発電不能となることを回避することができる。
【００１７】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第１の閾電流値よりも大きい第３の閾電流値以上になった場合であって、前記電流値の時間変化率が０よりも大きく、かつ、第２の閾値以下である状態が第２の期間継続した場合に、前記循環流量が前記第２の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【００１８】
燃料電池の氷点下からの起動時に、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を第１の循環流量から第２の循環流量に低減すると、冷却媒体による燃料電池からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱によって燃料電池の発電状態が回復する。ただし、このとき、冷却媒体の循環流量を低減したことによって、燃料電池の温度分布が不均一になっているおそれがある。そして、冷却媒体の循環流量が低減されて、燃料電池の温度分布が不均一なまま発電を長時間継続すると、燃料電池の温度が局所的に過剰に上昇して、燃料電池が備える電解質膜が局所的に劣化するおそれがある。なお、冷却媒体の循環流量を低減した直後は、燃料電池の発電状態が回復して、燃料電池から流れる電流の電流値は、急激に増加し、次第に緩やかに増加する。
【００１９】
適用例３の燃料電池システムでは、燃料電池から流れる電流の電流値が第３の閾電流値以上になった場合であって、電流値の時間変化率が０よりも大きく、かつ、第２の閾値以下である状態、すなわち、電流値が比較的緩やかに増加する状態が第２の期間継続した場合に、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を増加させる。例えば、冷却媒体の循環流量を、第１の循環流量に増加させる。なお、第３の閾電流値は、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。また、第３の閾電流値、電流値の時間変化率についての第２の閾値、および、第２の期間は、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部（例えば、循環ポンプや、循環配管）の設計等に応じて、適宜、変更可能である。適用例３の燃料電池システムによって、燃料電池の温度分布の不均一による局所的な過昇温を抑制し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化を抑制することができる。
【００２０】
［適用例４］
適用例３記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の氷点下からの起動時に、
前記循環流量が前記第２の循環流量となるように、前記冷却媒体循環部を制御した後、
前記電流値が前記第３の閾電流値よりも大きい第４の閾電流値以上になった場合に、前記循環流量が前記第２の循環流量よりも多くなるように、前記冷却媒体循環部を制御する、
燃料電池システム。
【００２１】
適用例４の燃料電池システムでは、燃料電池を循環する冷却媒体の循環流量を第１の循環流量から第２の循環流量に低減して、燃料電池から流れる電流の電流値が、電流値の時間変化率が０よりも大きく、かつ、第２の閾値以下である状態が第２の期間継続することなく、第４の閾電流値以上になった場合に、冷却媒体の循環流量を増加させる。なお、第４の閾電流値は、第３の閾電流値と同様に、燃料電池から流れる電流の電流値が比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。また、第４の閾電流値は、冷却媒体の循環流量を増加させることによって、燃料電池の局所的な過昇温を十分に抑制可能な範囲内で設定される。そして、第４の閾電流値も、例えば、燃料電池の設計や、燃料電池の氷点下からの起動時の発電条件や、冷却媒体循環部（例えば、循環ポンプや、循環配管）の設計等に応じて、適宜、変更可能である。適用例４の燃料電池システムによって、燃料電池の温度分布の不均一による局所的な過昇温をより確実に抑制し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化をより確実に抑制することができる。
【００２２】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に流入する前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御部は、前記冷却媒体の入口における前記冷却媒体の温度が０（℃）以上となった場合に、前記燃料電池の氷点下からの起動時に実行される前記冷却媒体循環部の制御を停止する、
燃料電池システム。
【００２３】
上述した燃料電池の氷点下からの起動時の制御によって、燃料電池の温度が０（℃）よりも高くなっても、燃料電池に流入する冷却媒体の入口における冷却媒体の温度が０（℃）以下である場合には、その冷却媒体による熱の持ち去りによって、燃料電池の内部における生成水の凍結が解消されないおそれがある。適用例５の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が０（℃）よりも高くなった場合ではなく、燃料電池を循環する冷却媒体が燃料電池によって加熱されて、燃料電池に流入する冷却媒体の入口における冷却媒体の温度が０（℃）よりも高くなった場合に、燃料電池の氷点下からの起動時に実行される上述した制御を停止する。こうすることによって、冷却媒体による熱の持ち去り量を減少させ、燃料電池の内部における生成水の凍結を解消することができる。なお、燃料電池の氷点下からの起動時に実行される制御を停止した後は、適宜、燃料電池の温度が０（℃）よりも高い場合に実行する制御を行うようにすればよい。
【００２４】
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの起動方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２５】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００２８】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各燃料電池セル４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。また、各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての酸素を含む空気の流路や、冷却媒体の流路が形成されている。なお、燃料電池セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。また、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００の温度を検出するための温度センサ４２が設けられている。
【００２９】
燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数の燃料電池セル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に、これらを積層することによって構成されている。そして、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却媒体を、それぞれ燃料電池セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド）と、各燃料電池セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガス、ならびに、冷却媒体をそれぞれ集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却媒体排出マニホールド）が形成されている。
【００３０】
エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。各出力端子には、負荷８０が接続されている。また、燃料電池スタック１００と負荷８０との間には、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値を検出するための電流センサ８２が設けられている。
【００３１】
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００は、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、締結荷重が加えられた状態で、締結部材によって締結されている。
【００３２】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００３３】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって、圧力および供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各燃料電池セル４０のアノードに供給される。各燃料電池セル４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器等によって処理される。
【００３４】
また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００３５】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、配管６１に配設されたエアコンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各燃料電池セル４０のカソードに供給される。各燃料電池セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。
【００３６】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却媒体も供給される。本実施例では、冷却媒体として、不凍液であるロングライフクーラント（ＬＬＣ）を用いるものとした。燃料電池スタック１００の冷却媒体供給マニホールドには、ラジエータ７１によって冷却されたＬＬＣが、配管７２を介して、配管７２に配設された循環ポンプ７０によって供給される。燃料電池スタック１００のから排出されたＬＬＣは、冷却媒体排出マニホールドに接続された配管７２を介して、ラジエータ７１に循環する。循環ポンプ７０の出力（回転数）を制御することによって、ＬＬＣの循環流量を制御することができる。このとき、配管７２にＬＬＣの循環流量を測定する流量計を設けて、この流量計の検出値に基づいて、循環ポンプ７０の出力を制御するようにしてもよい。配管７２における燃料電池スタック１００へのＬＬＣの入口には、燃料電池スタック１００に流入するＬＬＣの温度を検出するための温度センサ７３が配設されている。循環ポンプ７０、ラジエータ７１、配管７２は、［課題を解決するための手段］における冷却媒体循環部に相当する。
【００３７】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット９０によって制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、システムの運転を制御する。また、制御ユニット９０は、以下に説明する起動制御処理を実行する。制御ユニット９０は、［課題を解決するための手段］における制御部に相当する。
【００３８】
Ｂ．起動制御処理：
図２は、起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１０００の起動時に、燃料電池スタック１００の温度Ｔｆｃを発電に適した温度に昇温するために、制御ユニット９０のＣＰＵが実行する処理である。
【００３９】
まず、ＣＰＵは、温度センサ４２によって検出された燃料電池スタック１００の温度Ｔｆｃを取得し、燃料電池スタック１００の温度Ｔｆｃが０（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１００）。燃料電池スタック１００の温度Ｔｆｃが０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、常温起動制御を実行する（ステップＳ１１０）。なお、常温起動制御には、従来から知られている種々の起動制御を適用可能であり、本明細書では、常温起動制御についての説明は省略する。
【００４０】
ステップＳ１００において、燃料電池スタック１００の温度Ｔｆｃが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１００：ＮＯ）、ＣＰＵは、氷点下起動制御を開始する（ステップＳ１２０）。本実施例では、燃料電池スタック１００に水素および空気を導入して、燃料電池スタック１００の開回路電圧をチェックし、循環ポンプ７０を起動して、氷点下起動制御用の電圧制御を開始する。このとき、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００を循環するＬＬＣの循環流量が第１の循環流量Ｆ１となるように、循環ポンプ７０の出力を制御する。第１の循環流量Ｆ１は、燃料電池スタック１００における温度分布の不均一を抑制可能な範囲内で設定されている。なお、氷点下起動制御の開始直後は、燃料電池の内部における生成水の凍結により、燃料電池スタック１００の発電状態が悪化して、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値は、急激に低下し、次第に緩やかに低下する。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、以下の制御を行う。
【００４１】
氷点下起動制御を開始した後、ＣＰＵは、電流センサ８２によって、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉを周期的に測定し、この電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１以下になったか否かを判断する（ステップＳ１３０）。電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１よりも大きい場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００に流入するＬＬＣの入口におけるＬＬＣの温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１３２）。温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１３２：ＹＥＳ）、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行する（ステップＳ１１０）。一方、温度Ｔｉｎが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１３２：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１３０に戻す。
【００４２】
ステップＳ１３０において、電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１以下である場合には（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが第１の閾値ＴＨ１以上、かつ、０未満である状態が第１の期間ｔ１秒以上継続したか否かを判断する（ステップＳ１４０）。電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが第１の閾値ＴＨ１以上、かつ、０未満である状態が第１の期間ｔ１秒以上継続した場合には（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、循環ポンプ７０の出力を低下させて、燃料電池スタック１００に循環させるＬＬＣの循環流量を、第１の循環流量Ｆ１よりも少ない第２の循環流量Ｆ２に低減する（ステップＳ１５０）。燃料電池スタック１００に循環させるＬＬＣの循環流量を低減することによって、ＬＬＣによる燃料電池スタック１００からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱による燃料電池スタック１００の昇温が促進される。そして、燃料電池スタック１００の発電状態が回復し、燃料電池スタック１００から流れる電流が増加する。
【００４３】
なお、第１の閾電流値Ｉｔｈ１は、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉが比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第１の閾電流値Ｉｔｈ１は、燃料電池スタック１００に循環させるＬＬＣの循環流量を減少させなくても燃料電池スタック１００の発電状態の回復が期待されるが、第１の閾電流値Ｉｔｈ１以下の状態が長時間継続すると、燃料電池スタック１００の発電状態が回復しないまま、さらに悪化すると推定される値が設定される。そして、第１の閾電流値Ｉｔｈ１、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔについての第１の閾値ＴＨ１、および、第１の期間ｔ１秒は、例えば、燃料電池スタック１００の設計や、燃料電池スタック１００の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ７０や、配管７２の設計等に応じて、適宜、変更可能である。また、第２の循環流量Ｆ２も、任意に設定可能である。第２の循環流量Ｆ２は、例えば、第１の循環流量Ｆ１の５０（％）に設定される。
【００４４】
燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１以下になった場合に、即、ＬＬＣの循環流量を第２の循環流量Ｆ２に低減して燃料電池スタック１００の昇温を促進しようとすると、第２の循環流量Ｆ２に低減しなくても、すぐに、自己発熱によって燃料電池スタック１００の発電状態が回復する可能性があったにも関わらず、燃料電池スタック１００における温度分布を不均一にするおそれがある。これに対し、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１以下になった場合であって、さらに、電流値Ｉの時間変化率が第１の閾値ＴＨ１以上、かつ、０未満である状態、すなわち、電流値Ｉが比較的緩やかに低下する状態が第１の期間ｔ１秒継続した場合に、ＬＬＣの循環流量を第２の循環流量Ｆ２に低減する。そして、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１以下になった場合であっても、例えば、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが０以上である場合には、燃料電池スタック１００の発電状態が回復しつつあると判断して、ＬＬＣの循環流量を低減しない。こうすることによって、自己発熱による燃料電池スタック１００の発電状態の回復を待ちながら、燃料電池スタック１００における温度分布の不均一を抑制することができる。
【００４５】
ステップＳ１４０において、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが第１の閾値ＴＨ１以上、かつ、０よりも小さい状態が第１の期間ｔ１秒以上継続していない場合には（ステップＳ１４０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１よりも小さい第２の閾電流値Ｉｔｈ２以下になったか否かを判断する（ステップＳ１４２）。電流値Ｉが第２の閾電流値Ｉｔｈ２よりも大きい場合には（ステップＳＳ１４２：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１４０に戻す。一方、電流値Ｉが第２の閾電流値Ｉｔｈ２以下になった場合には（ステップＳ１４２：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、循環ポンプ７０の出力を低下させて、燃料電池スタック１００に循環させるＬＬＣの循環流量を、第２の循環流量Ｆ２に低減する（ステップＳ１５０）。こうすることによって、燃料電池スタック１００の発電状態が悪化し、燃料電池スタック１００から流れる電流が低下しすぎて、燃料電池スタック１００が発電不能となることを回避することができる。
【００４６】
なお、第２の閾電流値Ｉｔｈ２も、第１の閾電流値Ｉｔｈ１と同様に、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉが比較的緩やかに低下する範囲内の値であって、許容できる下限値よりも高い値が設定される。また、第２の閾電流値Ｉｔｈ２は、ＬＬＣの循環流量が第１の循環流量Ｆ１のまま発電を継続しても、自己発熱による燃料電池スタック１００の発電状態の回復が期待できないが、ＬＬＣの循環流量を第２の循環流量Ｆ２に低減することによって、自己発熱による燃料電池スタック１００の発電状態の回復が十分に可能な範囲内で設定されている。そして、第２の閾電流値Ｉｔｈ２も、例えば、燃料電池スタック１００の設計や、燃料電池スタック１００の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ７０や、配管７２の設計等に応じて、適宜、変更可能である。
【００４７】
ここで、燃料電池スタック１００を循環するＬＬＣの循環流量を第１の循環流量Ｆ１から第２の循環流量Ｆ２に低減すると、ＬＬＣによる燃料電池スタック１００からの熱の持ち去り量が減少し、自己発熱によって燃料電池スタック１００の発電状態が回復する。ただし、このとき、ＬＬＣの循環流量を低減したことによって、燃料電池スタック１００の温度分布が不均一になっているおそれがある。そして、ＬＬＣの循環流量が低減されて、燃料電池スタック１００の温度分布が不均一なまま発電を長時間継続すると、燃料電池スタック１００の温度が局所的に過剰に上昇して、燃料電池スタック１００が備える電解質膜が局所的に劣化するおそれがある。なお、ＬＬＣの循環流量を低減した直後は、燃料電池スタック１００の発電状態が回復して、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉは、急激に増加し、次第に緩やかに増加する。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、ステップＳ１５０において、燃料電池スタック１００を循環するＬＬＣの循環流量を第１の循環流量Ｆ１から第２の循環流量Ｆ２に低減した後、以下の制御を行う。
【００４８】
ステップＳ１５０の後、ＣＰＵは、電流センサ８２によって、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉを周期的に測定し、この電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１よりも大きい第３の閾電流値Ｉｔｈ３以上になったか否かを判断する（ステップＳ１６０）。電流値Ｉが第３の閾電流値Ｉｔｈ３よりも小さい場合には（ステップＳ１６０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００に流入するＬＬＣの入口におけるＬＬＣの温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１６２）。温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高い場合には（ステップＳ１６２：ＹＥＳ）、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行する（ステップＳ１１０）。一方、温度Ｔｉｎが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１６２：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１６０に戻す。
【００４９】
ステップＳ１６０において、電流値Ｉが第３の閾電流値Ｉｔｈ３以上である場合には（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが０よりも大きく、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下である状態が第２の期間ｔ２秒以上継続したか否かを判断する（ステップＳ１７０）。電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが０よりも大きく、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下である状態、すなわち、電流値Ｉが比較的緩やかに増加する状態が第２の期間ｔ２秒以上継続した場合には（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、循環ポンプ７０の出力を増加させて、燃料電池スタック１００に循環させるＬＬＣの循環流量を増加させる（ステップＳ１８０）。例えば、ＬＬＣの循環流量を、第１の循環流量Ｆ１に増加させる。こうすることによって、燃料電池スタック１００の温度分布の不均一による局所的な過昇温を抑制し、燃料電池スタック１００が備える電解質膜の局所的な劣化を抑制することができる。
【００５０】
なお、第３の閾電流値Ｉｔｈ３は、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉが比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。また、第３の閾電流値Ｉｔｈ３、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔについての第２の閾値ＴＨ２、および、第２の期間Ｔ２秒は、例えば、燃料電池スタック１００の設計や、燃料電池スタック１００の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ７０や、配管７２の設計等に応じて、適宜、変更可能である。
【００５１】
ステップＳ１７０において、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが０よりも大きく、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下である状態が第２の期間ｔ２秒以上継続していない場合には（ステップＳ１７０：ＮＯ）、ＣＰＵは、電流値Ｉが第３の閾電流値Ｉｔｈ３よりも大きい第４の閾電流値Ｉｔｈ４以上になったか否かを判断する（ステップＳ１７２）。電流値Ｉが第４の閾電流値Ｉｔｈ４未満である場合には（ステップＳＳ１７２：ＮＯ）、ＣＰＵは、処理をステップＳ１７０に戻す。一方、電流値Ｉが第４の閾電流値Ｉｔｈ４以上になった場合には（ステップＳ１７２：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、循環ポンプ７０の出力を増加させて、燃料電池スタック１００に循環させるＬＬＣの循環流量を増加させる（ステップＳ１８０）。こうすることによって、燃料電池の温度分布の不均一による局所的な過昇温をより確実に抑制し、燃料電池が備える電解質膜の局所的な劣化をより確実に抑制することができる。
【００５２】
なお、第４の閾電流値Ｉｔｈ４は、第３の閾電流値Ｉｔｈ３と同様に、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉが比較的緩やかに増加する範囲内の値であって、許容できる上限値よりも低い値が設定される。そして、第４の閾電流値Ｉｔｈ４も、例えば、燃料電池スタック１００の設計や、燃料電池スタック１００の氷点下からの起動時の発電条件や、循環ポンプ７０や、配管７２の設計等に応じて、適宜、変更可能である。
【００５３】
ステップＳ１８０において、燃料電池スタック１００に循環するＬＬＣの循環量を増加させた後、ＣＰＵは、処理をステップＳ１３０に戻す。
【００５４】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００の氷点下からの起動時に、燃料電池スタック１００から流れる電流の電流値Ｉ、および、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔに基づいて、燃料電池スタック１００の発電状態を詳細に把握し、燃料電池スタック１００の発電状態に即して循環ポンプ７０（冷却媒体循環部）を制御することができる。そして、燃料電池スタック１００における温度分布の不均一を抑制しつつ、燃料電池スタック１００の氷点下からの起動を速やかに行うことができる。
【００５５】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００５６】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、図２に示した起動制御処理におけるステップＳ１４０において、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが第１の閾値ＴＨ１以上、かつ、０よりも小さい状態が第１の期間ｔ１秒以上継続していない場合に、ＣＰＵは、ステップＳ１４２の処理を行うものとしたが、これを省略するようにしてもよい。
【００５７】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、図２に示した起動制御処理におけるステップＳ１７０において、電流値Ｉの時間変化率ｄＩ／ｄｔが０よりも大きく、かつ、第２の閾値ＴＨ２以下である状態が第２の期間ｔ２秒以上継続していない場合に、ＣＰＵは、ステップＳ１７２の処理を行うものとしたが、これを省略するようにしてもよい。
【００５８】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、図２に示した起動制御処理におけるステップＳ１３０において、電流値Ｉが第１の閾電流値Ｉｔｈ１よりも大きい場合、および、ステップＳ１６０において、電流値Ｉが第３の閾電流値Ｉｔｈ３よりも小さい場合に、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００に流入するＬＬＣの入口におけるＬＬＣの温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高いか否かを判断するものとしたが、本発明は、これに限られない。ＣＰＵは、ステップＳ１２０において、氷点下起動制御を開始した後、他のタイミングで、燃料電池スタック１００に流入するＬＬＣの入口におけるＬＬＣの温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高いか否かを判断し、温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高い場合に、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行するようにしてもよい。
【００５９】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池スタック１００に流入するＬＬＣの入口におけるＬＬＣの温度Ｔｉｎが０（℃）よりも高い場合に、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池スタック１００の温度Ｔｆｃが、フラッディングや燃料電池スタック１００の内部における生成水の凍結を解消することができると考えられる温度になった場合に、氷点下起動制御を終了して、常温起動制御を実行するようにしてもよい。
【００６０】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、ＣＰＵは、図２に示した起動制御処理におけるステップＳ１５０の後に、ステップＳ１６０，Ｓ１６２，Ｓ１７０，Ｓ１７２の処理を行うものとしたが、本発明は、これに限られない。ＣＰＵは、ステップＳ１５０の後、ステップＳ１６０，Ｓ１６２，Ｓ１７０，Ｓ１７２の処理を行う代わりに、例えば、自己発熱によって燃料電池スタック１００の発電状態が回復すると想定される期間が経過した後に、処理をステップＳ１８０に進めるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…燃料電池セル
４２…温度センサ
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…エアコンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
７０…循環ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
７３…温度センサ
８０…負荷
８２…電流センサ
９０…制御ユニット
【図１】
2013218923.tif 000003
【図２】
2013218923.tif 000004