(57)【要約】【課題】燃料電池スタックが局部的に過加熱状態となることを防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０と、燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、燃料電池スタック１０に供給される冷媒の流量を制限するバタフライ弁４２と、を備え、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度以上である場合、バタフライ弁４２が冷媒の流量の制限を解除する燃料電池システム１であって、燃料電池スタック１０の反応状態を推定する反応状態推定手段と、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度未満である場合、燃料電池スタック１０の過加熱が防止されるように、反応状態推定手段が推定する反応状態に基づいて、燃料電池スタック１０に供給される冷媒の流量の制限値を設定し、当該設定された制限値で制限するように前記冷媒流量制限手段に指令する制限値設定手段と、を備える。【選択図】図１
2009054427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
前記燃料電池スタックに供給される冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段と、
を備え、前記燃料電池スタックの温度が暖機完了温度未満である場合、前記冷媒流量制限手段が冷媒の流量の制限を実行する燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの反応状態を推定する反応状態推定手段と、
前記燃料電池スタックの温度が暖機完了温度未満である場合、前記燃料電池スタックの過加熱が防止されるように、前記反応状態推定手段が推定する反応状態に基づいて、前記燃料電池スタックに供給される冷媒の流量の制限値を変更し、当該変更された制限値で制限するように前記冷媒流量制限手段に指令する制限値変更手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷媒循環手段は、前記燃料電池スタックの発電電力により作動し、冷媒を圧送する冷媒ポンプを備え、
前記冷媒流量制限手段は、通流する冷媒が受ける圧力損失を調整する圧力損失調整部を備え、
前記燃料電池スタックに供給される冷媒を制限するべく、前記圧力損失調整部が圧力損失を高めている場合、前記冷媒ポンプはその回転数を高め、その消費電力を高める
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池（単セル）が積層して構成される燃料電池スタックが注目されている。このような燃料電池スタックには、水素（燃料ガス）、酸素を含む空気（酸化剤ガス）が給排されると共に、これを経由するように冷媒が循環する。
【０００３】
例えば、燃料電池スタック内の冷媒の通流経路について説明すると、冷媒は、１つの冷媒入口から燃料電池スタックの内部に導入され、内部を積層方向に進みつつ、各単セルの冷媒流路に分配供給される。また、各単セルからの冷媒は、燃料電池スタックの内部を積層方向に進みながら集合し、１つの冷媒出口から外部に排出される。このような給排方式は、水素や空気についても同様である。
【０００４】
また、燃料電池スタックは、電極反応を促進させる触媒の種類等に基づいて、暖機が完了したと判断され、発電が良好に進む温度（暖機完了温度）を個有しており、燃料電池スタックの温度を管理することは重要である。
【０００５】
特に、氷点下等の低温環境下から燃料電池スタックを起動させる場合、発電による自己発熱を利用して、燃料電池スタックの温度を暖機完了温度に早期に高めるべく、燃料電池スタックへの冷媒の流量を減らし、つまり、冷媒流量を制限し、冷媒による冷却程度を抑える技術が提案されている。そして、燃料電池スタックの温度が、暖機完了温度に到達した場合に、冷媒流量の制限を解除する技術が提案されている（特許文献１参照）。
なお、燃料電池スタックの温度は、例えば１つ冷媒出口から排出される冷媒の温度と略等しいとみなし、この冷媒の温度を検出することにより、間接的に検出される。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１６２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、燃料電池スタック内において、冷媒流路の形状、向き等により、冷媒が流れやすい部分や、流れにくい部分がある。したがって、排出された冷媒の温度に基づく燃料電池スタックの温度が、暖機完了温度に上昇するまで冷媒の流量を制限していると、例えば、冷媒が流れにくい部分では冷媒の流量が不足し、この部分付近の単セルが局部的に過加熱状態となる虞がある。そして、このように過加熱状態になると、例えば、電解質膜等が劣化し、燃料電池スタックの耐久性が低下する虞がある。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池スタックが局部的に過加熱状態となることを防止する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させる冷媒循環手段と、前記燃料電池スタックに供給される冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段と、を備え、前記燃料電池スタックの温度が暖機完了温度未満である場合、前記冷媒流量制限手段が冷媒の流量の制限を実行する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックの反応状態を推定する反応状態推定手段と、前記燃料電池スタックの温度が暖機完了温度未満である場合、前記燃料電池スタックの過加熱が防止されるように、前記反応状態推定手段が推定する反応状態に基づいて、前記燃料電池スタックに供給される冷媒の流量の制限値を変更し、当該変更された制限値で制限するように前記冷媒流量制限手段に指令する制限値変更手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、反応状態推定手段が、燃料電池スタックの反応状態、つまり、後記する実施形態では、温度、電圧、ＩＶ特性、平均セル電圧と最低セル電圧との電位差に基づいて、燃料電池の反応状態（暖機の進行程度）を推定する。
そして、制限値変更手段が、推定された燃料電池スタックの反応状態に基づいて、燃料電池スタックの過加熱が防止されるように、燃料電池スタックに供給される冷媒の流量の制限値を変更し、この変更された制限値で冷媒の流路を制限するように、冷媒流量制限手段に指令する。次いで、冷媒流量制限手段が、指令された制限値となるように、燃料電池スタックへの冷媒流量を制限する。
【００１１】
このようにして、燃料電池の反応状態に基づいて、冷媒流量の制限値が変更（設定）され、これに従って、冷媒流量が制限されるので、燃料電池スタックが局部的に過加熱状態になることを防止することができる。
【００１２】
また、前記冷媒循環手段は、前記燃料電池スタックの発電電力により作動し、冷媒を圧送する冷媒ポンプを備え、前記冷媒流量制限手段は、通流する冷媒が受ける圧力損失を調整する圧力損失調整部を備え、前記燃料電池スタックに供給される冷媒を制限するべく、前記圧力損失調整部が圧力損失を高めている場合、前記冷媒ポンプはその回転数を高め、その消費電力を高めることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタックに供給される冷媒を制限するべく、圧力損失調整部が圧力損失を高めている場合、冷媒ポンプはその回転数を高め、その消費電力を高めることにより、燃料電池スタックの発電電力を増加させることができる。これにより、発電に伴う燃料電池スタックの自己発熱量を高め、燃料電池スタックの暖機を促進することができる。
なお、圧力損失を高める程度（後記する実施形態ではバタフライ弁の開度）は、冷媒ポンプの回転数を変更しない場合における圧力損失よりも高めに設定すると共に、冷媒が冷媒流量制限手段（圧力損失調整部）を通過しにくくなることに対応して、冷媒ポンプの回転数を高めることが好ましい。
【００１４】
また、システム起動時に前記燃料電池スタック内を反応ガスに置換する反応ガス置換手段を備え、前記反応状態推定手段は、前記反応ガス置換手段による反応ガスの置換時における前記燃料電池スタックの電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの反応状態を推定することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、反応状態推定手段は、反応ガス置換手段による反応ガスの置換時における燃料電池スタックの電圧に基づいて、燃料電池スタックの反応状態を推定することができる。
ここで、燃料電池スタックの温度が暖機完了温度未満であっても、例えば、燃料電池スタックが新しく、電極反応が好適に進み、良好な電圧が出力される場合がある。したがって、このような場合でも、反応状態推定手段が、出力された電圧に基づいて、燃料電池スタックの反応状態を推定し、制限値変更手段が、これに基づいて冷媒流量の制限値を変更し、適切に冷媒を供給することができる。
【００１６】
また、前記反応状態推定手段は、前記燃料電池スタックの電圧−電流特性（ＩＶ特性）に基づいて、前記燃料電池スタックの反応状態を推定することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、反応状態推定手段は、燃料電池スタックの電圧−電流特性（ＩＶ特性）に基づいて、燃料電池スタックの反応状態を推定することができる。
ここで、燃料電池スタックの温度が暖機完了温度未満であっても、例えば、燃料電池スタックが新しく、電極反応が好適に進み、良好なＩＶ特性が得られる場合がある。したがって、このような場合でも、反応状態推定手段が、ＩＶ特性に基づいて、燃料電池スタックの反応状態を推定し、制限値変更手段が、これに基づいて冷媒流量の制限値を変更し、適切に冷媒を供給することができる。
【００１８】
また、前記反応状態推定手段は、前記燃料電池スタックを構成する複数の単セルから求められる所定電圧（後記する実施形態では平均セル電圧Ｖ２１）と、最低セル電圧（Ｖ２２）との電圧差（ΔＶ２１）に基づいて、前記燃料電池スタックの反応状態を推定する燃料電池システムである。
【００１９】
このような燃料電池システムによれば、反応状態推定手段は、複数の単セルから求められる所定電圧と最低セル電圧との電圧差に基づいて、燃料電池スタックの反応状態を推定することができる。
ここで、一般に、燃料電池スタックの暖機が進み、燃料電池スタックの温度が高くなると、所定電圧と最低セル電圧との電圧差が小さくなり、燃料電池スタックの発電が安定する。したがって、反応状態推定手段が、前記電圧差に基づいて、燃料電池スタックの反応状態を推定し、制限値変更手段が、これに基づいて、冷媒流量の制限値を変更し、適切に冷媒を供給することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池スタックが局部的に過加熱状態となることを防止する燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図１０を参照して説明する。
【００２２】
≪燃料電池システム≫
図１に示す燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１５と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒（ラジエータ液）を循環させる冷媒循環系（冷媒循環手段）と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、ＩＧ６１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２３】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡと、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。
【００２４】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２５】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルでＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。
次いで、このようにＯＣＶが発生した状態で、燃料電池スタック１０が走行モータ５１等に電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００２６】
また、各セパレータには、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒が通流する冷媒流路１３を構成する溝、貫通孔が形成されている。そして、冷媒は、１つの入口から燃料電池スタック１０の積層方向に流れる共に、各単セルの冷媒流路１３に分配供給されるようになっている。また、各単セルの冷媒流路１３から冷媒は、積層方向で流れつつ集合した後、１つの出口から外部に排出されるようになっている。
【００２７】
＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１５は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル毎の電圧（セル電圧）を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。
【００２８】
モニタ本体は、所定周期で全単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧を検出し、平均セル電圧Ｖ２１（所定電圧）、最低セル電圧Ｖ２２、平均セル電圧Ｖ２１と最低セル電圧Ｖ２２との電圧差ΔＶ２１（Ｖ２１−Ｖ２２）を算出するようになっている。そして、モニタ本体は、電圧差ΔＶ２１をＥＣＵ７０に出力するようになっている。
【００２９】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０からの指令によって遮断弁２２が開かれると、水素が、水素タンク２１から、遮断弁２２等を経由して、アノード流路１１に供給されるようになっている。
アノード流路１１の出口は、配管２２ｂに接続されており、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスは、配管２２ｂを介して、外部に排出されるようになっている。
【００３０】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１を備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０の指令に従ってコンプレッサ３１が作動すると、酸素を含む空気が取り込まれ、カソード流路１２に供給されるようになっている。また、配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード流路１２に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。
なお、コンプレッサ３１と、後記する冷媒ポンプ４１とは、その動力源となるモータＭを共有しており、システム構成の簡略化が図られている。すなわち、モータＭの出力軸周りには、コンプレッサ３１の羽根車と、冷媒ポンプ４１の羽根車とが取り付けられている。
【００３１】
カソード流路１２の出口は、配管３１ｂに接続されており、カソード流路１２から排出されたカソードオフガスが、配管３１ｂを介して外部に排出されるようになっている。
【００３２】
＜冷媒循環系＞
冷媒循環系は、燃料電池スタック１０の冷媒流路１３を経由するように冷媒（冷却水、ラジエータ液）を循環させる系であり、冷媒ポンプ４１と、バタフライ弁４２（冷媒流量制限手段）と、冷媒を放熱させるラジエータ４３（放熱器）と、温度センサ４４とを備えている。
【００３３】
冷媒ポンプ４１は、冷媒を圧送する装置であり、その動力源であるモータＭは、コンタクタ５３等を介して燃料電池スタック１０と、バッテリ５２とに接続されている。モータＭは、ＥＣＵ７０の指令に従って、燃料電池スタック１０及び／又はバッテリ５２を電源として、作動するようになっている。すなわち、冷媒ポンプ４１は、燃料電池スタック１０の発電電力及び／又はバッテリ５２の充電電力により作動する。
【００３４】
冷媒ポンプ４１の吐出口は、配管４１ａ、バタフライ弁４２、配管４２ａを介して、冷媒流路１３の入口に接続されている。冷媒流路１３の出口は、配管４３ａ、ラジエータ４３、配管４３ｂを介して、冷媒ポンプ４１の吸引口に接続されている。
そして、冷媒ポンプ４１が作動すると、冷媒が、バタフライ弁４２、冷媒流路１３及びラジエータ４３を経由して循環するようになっている。
【００３５】
バタフライ弁４２は、その弁体（圧力損失調整部）の開度を調整することで、冷媒循環系を通流する冷媒、詳細には冷媒流路１３に供給される冷媒が受ける圧力損失を調整し、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段である。すなわち、バタフライ弁４２の弁体の開度が、例えば小さくなると、通流する冷媒が受ける圧力損失が高まり、冷媒流路１３への冷媒の流量が減ずるようになっている。
また、バタフライ弁４２は、ＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０によって、その開度が適宜に制御されるようになっている。
【００３６】
温度センサ４４（温度検出手段）は、配管４３ａの冷媒流路１３寄りに配置されている。ここで、配管４３ａ内の温度は、冷媒流路１３の温度、つまり、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１に略等しいとし、温度センサ４４が燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１を検出するとする。そして、温度センサ４４は、検出した燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
【００３７】
＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池自動車の動力源となる走行モータ５１（外部負荷）と、電力を充放電するバッテリ５２と、ＯＮ／ＯＦＦスイッチであるコンタクタ５３と、出力検出器５４とを備えている。
【００３８】
走行モータ５１は、コンタクタ５３、出力検出器５４を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。
そして、燃料電池スタック１０において所定のＯＣＶが発生している状態で、ＥＣＵ７０によりコンタクタ５３がＯＮされ、燃料電池スタック１０の出力を制御する図示しないＶＣＵ（Voltage Control Unit）がＥＣＵ７０により適宜に制御されると、燃料電池スタック１０から電流が取り出され、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
一方、コンタクタ５３がＯＦＦされると、燃料電池スタック１０と走行モータ５１等との電気的接続が遮断され、燃料電池スタック１０の発電が停止するようになっている。
【００３９】
出力検出器５４は、燃料電池スタック１０において現在出力されている電圧Ｖ１１（ＯＣＶを含む）及び電流Ａ１１を検出する機器であり、電圧センサ及び電流センサを備えている。電圧センサは電圧Ｖ１１を、電流センサは電流Ａ１１を、それぞれ検出可能なように適所に配置されている。
そして、出力検出器５４は、検出した電圧Ｖ１１及び電流Ａ１１を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
【００４０】
バッテリ５２は、走行モータ５１とコンタクタ５３と間で、コンタクタ５３に対して、走行モータ５１と並列で接続されており、燃料電池スタック１０の余剰電力を充電したり、燃料電池スタック１０をアシストするようになっている。
その他、走行モータ５１とコンタクタ５３との間には、高圧電力を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（図示しない）が接続されている。そして、遮断弁２２、ＥＣＵ７０等は、この降圧された電力により作動するようになっている。
【００４１】
＜ＩＧ＞
ＩＧ６１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ６１はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００４２】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種処理を実行するようになっている。
【００４３】
＜ＥＣＵ−反応状態推定機能＞
ＥＣＵ７０（反応状態推定手段）は、燃料電池スタック１０の反応状態を推定する機能、つまり、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１、電圧Ｖ１１、ＩＶ特性及び平均セル電圧Ｖ２１と最低セル電圧Ｖ２２との電位差ΔＶ２１に基づいて、燃料電池スタック１０の暖機の程度が、これに供給される冷媒の流量の制限を変更すべき程度であるか否かを推定する機能を備えている。
【００４４】
＜ＥＣＵ−制限値変更機能＞
ＥＣＵ７０（制限値変更手段）は、推定された燃料電池スタック１０の反応状態、つまり、燃料電池スタック１０の暖機の程度に基づいて、冷媒流路１３への冷媒の流量の制限値を変更し、この変更された制限値で制限するように、冷媒ポンプ４１及びバタフライ弁４２に指令する機能を備えている。
【００４５】
＜ＥＣＵ−暖機完了判定、冷媒流量制限解除機能＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１と、暖機完了温度Ｔ３（例えば８０℃）とに基づいて、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否かを判定し、暖機は完了したと判定された場合、バタフライ弁４２による冷媒流路１３への冷媒流量制限を解除する機能を備えている。すなわち、燃料電池システム１では、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が、暖機完了温度Ｔ３以上である場合、冷媒流量の制限が解除される設定となっている。言い換えると、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が、暖機完了温度Ｔ３未満である場合、冷媒流量の制限が実行される設定となっている。
なお、暖機完了温度Ｔ３は、アノード等に含まれる触媒の種類等に依存し、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。また、暖機完了温度Ｔ３と、後記する冷媒流量変更温度Ｔ２（例えば３０℃）、低温起動開始温度Ｔ１（例えば０℃）との関係は、「Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３」となる。
【００４６】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図２、図３を主に参照して、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ７０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。
なお、ＩＧ６１がＯＮされると、図２のフローチャートに示す処理がスタートする。また、ＩＧ６１のＯＮ前（初期状態）において、遮断弁２２は閉じられ、コンプレッサ３１及び冷媒ポンプ４１は停止し、コンタクタ５３はＯＦＦされており、燃料電池スタック１０の発電は停止している。
【００４７】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を起動するに際し、燃料電池スタック１０の暖機を促進するため、低温起動する必要があるか否かを判定する。
具体的には、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１が、低温起動開始温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。低温起動開始温度Ｔ１は、燃料電池スタック１０内が凍結している虞があり、低温起動し、暖機をする必要があると判断される温度（例えば０℃）である。なお、低温起動開始温度Ｔ１は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００４８】
燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１が、低温起動開始温度Ｔ１以下である場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、低温起動する必要があると判定し、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１が低温起動開始温度Ｔ１以下でない場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、低温起動する必要はないと判定し、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１０に進む。
【００４９】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の暖機を促進するため、燃料電池システム１の低温起動モードでの制御を開始する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を開き、水素タンク２１（反応ガス置換手段）からアノード流路１１に水素を供給する。また、モータＭ（コンプレッサ３１、冷媒ポンプ４１）を作動させ、コンプレッサ３１（反応ガス置換手段）からカソード流路１２に空気を供給すると共に、冷媒を循環させる。これにより、アノード流路１１は水素に、カソード流路１２は空気にそれぞれ置換され始める。このとき、モータＭの回転数は、後記するステップＳ１１０における通常起動モードでのモータＭの回転数よりも高めに設定される。これにより、燃料電池スタック１０のカソードには、通常起動モードにおける通常流量よりも多流量・高圧で空気が供給される。
【００５０】
さらに、ＥＣＵ７０は、バタフライ弁４２の開度を、後記するステップＳ１１０における通常起動モード用の開度（通常起動用開度）よりも小さい、低温起動モード用の開度（低温起動用開度）に設定する。これにより、冷媒流路１３への冷媒の流量は、通常起動モード時よりも少ない流量に制御され、自己発熱による燃料電池スタック１０の暖機が促進される。
【００５１】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１が、冷媒流量変更温度Ｔ２未満であるか否かを判定する（図４参照）。
冷媒流量変更温度Ｔ２は、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３未満であるものの、この冷媒流量変更温度Ｔ２以上であれば、バタフライ弁４２の開度を、低温起動用開度から通常起動用開度に変更し（広げ）、冷媒流路１３への冷媒流量を増加（変更）したとしても、その後における燃料電池スタック１０の自己発熱によって、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３に、多大な時間を要せずに上昇すると推定される温度に設定される。なお、このような冷媒流量変更温度Ｔ２は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００５２】
そして、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１が、冷媒流量変更温度Ｔ２未満であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、現在の温度Ｔ１１が、冷媒流量変更温度Ｔ２未満でないと判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１１に進む。
【００５３】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、水素及び空気の置換中における燃料電池スタック１０の現在の電圧Ｖ１１（ＯＣＶ）が、冷媒流量変更電圧Ｖ１未満であるか否かを判定する（図５参照）。
冷媒流量変更電圧Ｖ１は、燃料電池スタック１０の現在の電圧Ｖ１１が、この冷媒流量変更電圧Ｖ１以上であれば、バタフライ弁４２の開度を、低温起動用開度から通常起動用開度に変更し（広げ）、冷媒流路１３への冷媒流量を増加（変更）したとしても、その後における燃料電池スタック１０の自己発熱によって、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３に、多大な時間を要せずに上昇すると推定される電圧に設定される。なお、このような冷媒流量変更電圧Ｖ１は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００５４】
そして、燃料電池スタック１０の現在の電圧Ｖ１１が、冷媒流量変更電圧Ｖ１未満であると判定された場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２００に進む。一方、現在の電圧Ｖ１１が、冷媒流量変更電圧Ｖ１未満でないと判定された場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１１に進む。
【００５５】
ステップＳ２００において、ＥＣＵ７０は、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量を、低温用起動用に制限、つまり、バタフライ弁４２の開度を低温起動用に設定する。
具体的には、ＥＣＵ７０の処理は図３のステップＳ２０１に進み、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、バタフライ弁４２を閉方向に制御し、その開度を小さくする。このとき、バタフライ弁４２は、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１、電圧Ｖ１１（ＯＣＶ）、ＩＧ６１のＯＮからの時間ｔ、及び、電圧差ΔＶ２１（Ｖ２１−Ｖ２２）と、図８、図９のマップとに基づいて制御される。詳細には、図８、図９に示すように、現在の温度Ｔ１１が低く、電圧Ｖ１１が低く、ＩＧ６１のＯＮからの時間ｔが短く、電圧差ΔＶ２１が大きいほど、バタフライ弁４２の開度が小さくなるように制御される。
【００５６】
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０１における閉方向への制御後のバタフライ弁４２の開度と、図１０のマップとに基づいて、モータＭ（冷媒ポンプ４１）の回転数を増加させる。詳細には、図１０に示すように、バタフライ弁４２の開度が小さいほど、モータＭの回転数が高くなるように制御される。このとき、バタフライ弁４２の開度の閉方向への制御前後で、冷媒流路１３への冷媒流量が変化しないように、モータＭの回転数が高められる。これにより、モータＭ（冷媒ポンプ４１）の消費電力が大きくなる。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドを経由して、図２のステップＳ１０５に進む。
【００５７】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、現在の電圧Ｖ１１（ＯＣＶ）が発電可能電圧Ｖ０以上であるか否かを判定する。発電可能電圧Ｖ０は、燃料電池スタック１０内が水素、空気に良好に置換され、所定濃度に高まり、発電可能な状態になったと判断される電圧であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００５８】
そして、現在の電圧Ｖ１１が発電可能電圧Ｖ０以上であると判定された場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、現在の電圧Ｖ１１が発電可能電圧Ｖ０以上でないと判定された場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０３に進む。
【００５９】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。具体的には、ＥＣＵ７０は、コンタクタ５３をＯＮし、発電要求に応じて燃料電池スタック１０から電流を取り出し、燃料電池スタック１０を発電させる。このように発電すると、その自己発熱により燃料電池スタック１０の暖機が進む。この場合において、燃料電池スタック１０の発電電力は、ステップＳ１０２で多流量・高圧で供給を開始した空気に対応して、後記するステップＳ１１３における発電電力よりも大きくし、自己発熱量を大きくする。
【００６０】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１が、冷媒流量変更温度Ｔ２未満であるか否かを判定する。現在の温度Ｔ１１が冷媒流量変更温度Ｔ２未満である場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、現在の温度Ｔ１１が冷媒流量変更温度Ｔ２未満でない場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１４に進む。
【００６１】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、現在のＩＶ特性（電流−電圧曲線）が、判定ＩＶ特性よりも低いか否かを判定する。
具体的には、出力検出器５４を介して検出される燃料電池スタック１０の現在の電圧Ｖ１１及び電流Ａ１１に基づいて、燃料電池スタック１０の現在のＩＶ特性を求める。次いで、ＥＣＵ７０は、この求めたＩＶ特性が判定ＩＶ特性よりも低いか否かを判定する。
【００６２】
判定ＩＶ特性は、現在のＩＶ特性が、この判定ＩＶ特性以上であれば、バタフライ弁４２の開度を、低温起動用開度から通常起動用開度に変更し（広げ）、冷媒流路１３への冷媒流量を増加（変更）したとしても、その後における燃料電池スタック１０の自己発熱によって、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３に、多大な時間を要せずに上昇すると推定されるＩＶ特性に設定される。なお、このような判定ＩＶ特性は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００６３】
そして、現在のＩＶ特性が、判定ＩＶ特性よりも低いと判定された場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、現在のＩＶ特性が、判定ＩＶ特性よりも低くないと判定された場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１４に進む。
【００６４】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７０は、セル電圧モニタ１５を介して検出される平均セル電圧Ｖ２１と最低セル電圧Ｖ２２との電圧差ΔＶ２１（Ｖ２１−Ｖ２２）が、判定電圧差ΔＶ２０よりも大きいか否かを判定する。
判定電圧差ΔＶ２０は、電圧差ΔＶ２１が、この判定電圧差ΔＶ２０以下であれば、バタフライ弁４２の開度を、低温起動用開度から通常起動用開度に変更し（広げ）、冷媒流路１３への冷媒流量を増加（変更）したとしても、その後における燃料電池スタック１０の自己発熱によって、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３に、多大な時間を要せずに上昇すると推定される電位差に設定される。なお、このような判定電圧差ΔＶ２０は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００６５】
そして、現在の電圧差ΔＶ２１が判定電圧差ΔＶ２０よりも大きいと判定された場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ３００に進む。一方、現在の電圧差ΔＶ２１が判定電圧差ΔＶ２０よりも大きくないと判定された場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１４に進む。
【００６６】
ステップＳ３００において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２００と同様に、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量を制限する。
具体的には、ＥＣＵ７０の処理は図３のステップＳ３０１に進み、ステップＳ３０１において、ＥＣＵ７０は、バタフライ弁４２を閉方向に制御し、その開度を小さくする。このとき、バタフライ弁４２は、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１、ＩＧ６１のＯＮからの時間ｔ、現在のＩＶ特性と判定ＩＶ特性との差、電圧差ΔＶ２１（Ｖ２１−Ｖ２２）と、図８、図９のマップとに基づいて制御される。詳細には、図８、図９に示すように、現在の温度Ｔ１１が低く、ＩＧ６１のＯＮからの時間ｔが短く、現在のＩＶ特性と判定ＩＶ特性との差が大きく、ΔＶ２１が大きいほど、バタフライ弁４２の開度が小さくなるように制御される。
【００６７】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０２と同様に、ステップＳ３０１における閉方向への制御後のバタフライ弁４２の開度と、図１０のマップとに基づいて、モータＭ（冷媒ポンプ４１）の回転数を増加させる。詳細には、図１０に示すように、バタフライ弁４２の開度が小さいほど、モータＭの回転数が高くなるように制御される。これにより、モータＭ（冷媒ポンプ４１）の消費電力、及び、燃料電池スタック１０の発電電力が大きくなり、自己発熱による燃料電池スタック１０の暖機が促進される。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドを経由して、図２のステップＳ１０７に進む。
【００６８】
次に、ステップＳ１０１の判定がＮｏの場合に進むステップＳ１１０を説明する。
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１の通常起動モードでの制御を開始する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を開き、アノード流路１１に水素を供給する。また、モータＭ（コンプレッサ３１、冷媒ポンプ４１）を作動させ、カソード流路１２に空気を供給すると共に、冷媒を循環させる。
なお、モータＭの通常起動用の回転数は、ステップＳ１０２における低温起動用のモータＭの回転数よりも低く設定される。また、バタフライ弁４２の通常起動用の開度は、暖機完了後の開度よりも小さく、ステップＳ１０２における低温起動用のバタフライ弁４２の開度よりも大きい範囲で設定される。
【００６９】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ７０は、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量の制限を通常起動用に設定、詳細には、バタフライ弁４２の開度を通常起動用開度に設定する。
具体的には、ステップＳ１１０からステップＳ１１１に進んだ場合、バタフライ弁４２の開度は、通常起動用開度のまま維持される。
これに対し、ステップＳ１０３の判定結果がＮｏ、又は、ステップＳ１０４の判定結果がＮｏとなって、ステップＳ１１１に進んだ場合、バタフライ弁４２の開度は、通常起動用開度に変更される。これにより、冷媒流路１３への冷媒の流量は変更されると共に増加し、燃料電池スタック１０における局部的な過加熱が防止される。
【００７０】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０５と同様に、現在のＶ１１（ＯＣＶ）が発電可能電圧Ｖ０以上であるか否かを判定する。
そして、現在の電圧Ｖ１１が発電可能電圧Ｖ０以上であると判定された場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１３に進む。一方、現在の電圧Ｖ１１が発電可能電圧Ｖ０以上でないと判定された場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１２の判定を繰り返す。
【００７１】
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０６と同様に、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。
【００７２】
ステップＳ１１４において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１１１と同様に、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量の制限を通常起動用に設定、詳細には、バタフライ弁４２の開度を通常起動用開度に設定する。
具体的には、ステップＳ１１３からステップＳ１１４に進んだ場合、バタフライ弁４２の開度は、通常起動用開度のまま維持される。
これに対し、ステップＳ１０７の判定結果がＮｏ、ステップＳ１０８の判定結果がＮｏ、又は、ステップＳ１０９の判定結果がＮｏとなって、ステップＳ１１４に進んだ場合、バタフライ弁４２の開度は、通常起動用開度に変更される。これにより、冷媒流路１３への冷媒の流量は変更されると共に増加し、燃料電池スタック１０における局部的な過加熱が防止される。
【００７３】
次に、ステップＳ１１５において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３以上であるか否かを判定する。
燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３以上である場合（Ｓ１１５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はエンドに進む。このようにエンドに進む場合、バタフライ弁４２の開度は、通常起動用開度から全開に変更される。これにより、冷媒流路１３への冷媒供給の制限は解除される。
一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が、暖機完了温度Ｔ３以上でない場合（Ｓ１１５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１１５の判定を繰り返す。
【００７４】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得ることができる。
低温起動モードでの起動している場合において、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ３未満であるものの、所定の条件が満たされた場合（Ｓ１０３・Ｎｏ、Ｓ１０４・Ｎｏ、Ｓ１０７・Ｎｏ、Ｓ１０８・Ｎｏ、Ｓ１０９・Ｎｏ）、バタフライ弁４２の開度を低温起動用から通常起動用に変更し、冷媒流量を低温起動用から通常起動用に増加（変更）することができる。これにより、燃料電池スタック１０が、局部的に過加熱状態になることを防止することができる。
【００７５】
また、低温起動モードで起動している場合において、冷媒の流量を制限・変更する場合（Ｓ２００、Ｓ３００）、燃料電池スタック１０の現在の温度Ｔ１１、電圧Ｖ１１、現在のＩＶ特性と判定ＩＶ特性との差、電圧差ΔＶ２１（Ｖ２１−Ｖ２２）、ＩＧ６１のＯＮからの時間ｔに基づいて、バタフライ弁４２を閉方向に制御すると共に、制御後のバタフライ弁４２の開度に対応して冷媒ポンプ４１の回転数を増加させ、その消費電力を増加させることで、燃料電池スタック１０の発電電力が増加する。その結果、燃料電池スタック１０の自己発熱量を高め、暖機を促進しつつ、冷媒流路１３に適切に冷媒を供給することができる。
【００７６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００７７】
前記した実施形態では、燃料電池スタック１０の温度Ｔ１１を検出する温度センサ４４が、配管４３ａに設けられた構成を例示したが、配管２２ｂ、３１ｂや、燃料電池スタック１０の筐体に設ける構成でもよい。また、複数の温度センサを設けて、誤検出を防止する構成としてもよい。
【００７８】
前記した実施形態では、ステップＳ２００、Ｓ３００において、冷媒流量を制限する場合、バタフライ弁４２の開度を小さくすると共に冷媒ポンプ４１の回転数を高める構成を例示したが、この他に例えば、単に冷媒ポンプ４１の回転数を低下させることで、冷媒流量を制限する構成としてもよい。
また、冷媒流路１３をバイパス（迂回）するバイパス流路を設けると共に、このバイパス流路に流量調整弁を設け、冷媒流量を制限する場合、このバイパス流路への冷媒流量が増加するように前記流量調整弁を制御する構成としてもよい。
【００７９】
前記した実施形態では、図４に示すように、冷媒流量変更温度Ｔ２が一定である場合を例示したが、図４に破線で示すように、ＩＧ６１のＯＮからの時間が長くなるにつれて、冷媒流量変更温度Ｔ２が高くなる構成でもよい。冷媒流量変更電圧Ｖ１についても、図５に破線で示すように、同様である。
また、図６に破線で示すように、判定ＩＶ特性が、ＩＧ６１のＯＮからの時間が長くなるにつれて、高くなる構成としてもよい。さらに、図７に破線で示すように、ＩＧ６１のＯＮからの時間が長くなるにつれて、判定電圧差ΔＶ２０が小さくなる構成としてもよい。
【００８０】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムに組み込んでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ２００（Ｓ３００）のサブフローチャートである。
【図４】ＩＧのＯＮからの時間ｔと、燃料電池スタックの温度Ｔ１１と、冷媒流量の制限の有無との関係を示すマップである。
【図５】ＩＧのＯＮからの時間ｔと、燃料電池スタックの電圧Ｖ１１（ＯＣＶ）と、冷媒流量の制限の有無との関係を示すマップである。
【図６】ＩＧのＯＮからの時間ｔと、燃料電池スタックのＩＶ特性と、冷媒流量の制限の有無との関係を示すマップである。
【図７】ＩＧのＯＮからの時間ｔと、平均セル電圧Ｖ２１と最低セル電圧Ｖ２２との電圧差ΔＶ２１と、冷媒流量の制限の有無との関係を示すマップである。
【図８】燃料電池スタックの温度Ｔ１１、電圧Ｖ１１（ＯＣＶ）及びＩＧのＯＮからの時間ｔと、バタフライ弁の開度との関係を示すマップである。
【図９】燃料電池スタックの現在のＩＶ特性と判定ＩＶ特性との差、平均セル電圧Ｖ２１と最低セル電圧Ｖ２２との電圧差ΔＶ２１と、バタフライ弁の開度との関係を示すマップである。
【図１０】バタフライ弁の開度と、モータ（冷媒ポンプ）の回転数との関係を示すマップである。
【符号の説明】
【００８２】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
１１    アノード流路
１２    カソード流路
１３    冷媒流路
１５    セル電圧モニタ
４１    冷媒ポンプ（冷媒循環手段）
４２    バタフライ弁（冷媒流量制限手段、圧力損失調整部）
４３    ラジエータ
４４    温度センサ（温度検出手段）
５４    出力検出器
７０    ＥＣＵ（反応状態推定手段、制限値設定手段）
Ｔ１１  燃料電池スタックの現在の温度
Ｔ１    低温起動開始温度
Ｔ２    冷媒流量変更温度
Ｔ３    暖機完了温度
Ａ１１  燃料電池スタックの現在の電流
Ｖ１１  燃料電池スタックの現在の電圧
Ｖ０    発電可能電圧
Ｖ１    冷媒流量変更電圧
Ｖ２１  平均セル電圧（所定電圧）
Ｖ２２  最低セル電圧
ΔＶ２１  平均セル電圧と最低セル電圧との差
ΔＶ２０  判定電圧差
【図１】
2009054427.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009054427.tif 000007
【図６】
2009054427.tif 000008
【図７】
2009054427.tif 000009
【図８】
2009054427.tif 000010
【図９】
2009054427.tif 000011
【図１０】
2009054427.tif 000012