JP2007122911A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に燃料電池スタックの暖機発電を実施し、燃料電池スタックの温度上昇速度の変化に基づいて燃料電池スタックの内部に部分的な凍結が残っていることのないタイミングで暖機発電を終了させることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１以上で、尚且つ燃料電池スタック２の温度上昇速度が所定閾値より小さいときには暖機発電を継続し、この後に燃料電池スタック２の温度上昇速度が所定閾値よりも大きくなったことを検知したときに暖機発電を終了することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、起動時に燃料電池スタックの暖機発電を実施する燃料電池システムに係り、特に燃料電池スタックの温度上昇速度の変化に基づいて暖機発電の終了を判定する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの低温起動時に燃料電池スタックを暖機するための方法として、発電効率を悪化させて発熱量を増加させる方法がある。このような燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００４−３０９７９号公報（特許文献１）が開示されている。この従来例では、燃料電池の温度が低温である場合には、酸素供給量不足によって発熱量を増大させて燃料電池を暖機させている。

また、別の従来例として特開２００２−３１３３８８号公報（特許文献２）では、低温起動時に燃料電池へ供給する反応ガスの供給圧力を定常運転時よりも低下させることによって発電効率を低下させて燃料電池スタックを暖機させるようにしている。

また、低温起動時に暖機発電を行った場合には暖機終了を判定する必要があり、このための方法として燃料電池スタック出口の流体の温度で判定する方法がある。このような燃料電池システムの従来例として、特開２００３−１５１５９７号公報（特許文献３）が開示されている。この従来例では、燃料電池スタックの出口における流体温度が所定温度まで上昇した場合、あるいは燃料電池スタックの入口と出口における流体の温度差が所定温度差まで拡大した場合に暖機が完了したと判断するようにしている。
特開２００４−３０９７９号公報 特開２００２−３１３３８８号公報 特開２００３−１５１５９７号公報

しかしながら、特許文献１及び２に開示された従来例では、低温起動時に暖機発電を終了する方法が明確でないため、起動時間を短縮するために低めの温度で暖機を終了すると、燃料電池スタック内部が部分的に低温または凍結状態のまま暖機を終了してしまう場合があり、この状態で負荷を増加すると発電電流が取り出せず、電圧が異常低下してしまうという問題点があった。

また、特許文献３に開示された従来例では、暖機発電開始後に低温反応ガスの供給や低温冷却液の循環などによって燃料電池スタックの内部が冷えて部分的に低温または凍結状態となる場合がある。このような状態でも発電電圧は閾値以上あるため電圧の異常低下にはならない。ところが、燃料電池スタックの出口流体温度に基づいて暖気発電の終了タイミングを判定していると、燃料電池スタックの出口流体温度はスタック内部の平均化された温度を反映したものであるため、スタック内部が部分的に低温または凍結状態となる場合を反映することができない。したがって、燃料電池スタック内部が部分的に低温または凍結状態であっても暖機を終了と判定してしまう場合があり、この状態で負荷を増加させると発電電流が取り出せず、電圧が異常低下してしまうという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタックを備え、起動時に前記燃料電池スタックの暖機発電を実施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温度上昇速度の変化に基づいて前記暖機発電の終了を判定することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度上昇速度の変化に基づいて暖機発電の終了を判定するので、燃料電池スタックの内部で部分的に低温あるいは凍結状態の部分があることを検知することができ、これによって正確な暖機発電の終了タイミングを判定することができる。

以下、本発明に係わる燃料電池システムの実施例について図面を参照しながら説明する。

以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２を構成する燃料電池単セルで発電される電圧を検出するセル電圧センサＶ１と、燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサＳ１と、水素ガスを貯蔵して供給する水素供給タンク３と、水素供給タンク３から供給される高圧水素を減圧する水素圧力レギュレータ４と、燃料電池スタック２の入口における水素ガスの圧力を検出する圧力センサＰ１と、燃料電池スタック２の入口における水素ガスの温度を検出する温度センサＳ２と、燃料電池スタック２の出口における水素ガスの温度を検出する温度センサＳ３と、燃料電池スタック２で消費されなかった水素ガスを再循環させる燃料循環路５と、燃料循環路５内の水素ガスを循環させる水素循環ポンプ６と、燃料電池スタック２における反応で使用されない不純物を燃料循環路５から排出するパージ弁７と、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給する空気供給装置（酸化剤ガス供給手段）８と、外気から空気供給装置８へ吸入された空気の温度を検出する温度センサＳ４と、空気供給装置８から送出された空気の温度を検出する温度センサＳ５と、燃料電池スタック２の入口における空気の圧力を検出する圧力センサＰ２と、燃料電池スタック２の入口における空気の温度を検出する温度センサＳ６と、燃料電池スタック２の出口における空気の温度を検出する温度センサＳ７と、燃料電池スタック２における空気の圧力を調整する空気調圧弁９と、燃料電池スタック２を冷却する冷却液を循環させる冷却液ポンプ１０と、燃料電池スタック２の入口における冷却液の温度を検出する温度センサＳ８と、燃料電池スタック２の出口における冷却液の温度を検出する温度センサＳ９と、空気供給装置８を冷却するための冷却液を循環させる冷却液ポンプ１１と、空気供給装置８を冷却した冷却液の温度を検出する温度センサＳ１０と、冷却液の熱を放熱して冷却する熱交換器１２と、燃料電池スタック２から出力される電流を検出する電流センサＩ１と、燃料電池スタック２から出力される電圧を検出する電圧センサＶ２と、燃料電池スタック２から電力や電流などの出力を取り出して負荷装置１３に供給する電力変換装置１４と、燃料電池スタック２で発電された電力を蓄えておく２次バッテリ１５と、２次バッテリ１５の電圧を検出する電圧センサＶ３と、２次バッテリ１５の電流を検出する電流センサＩ２と、２次バッテリ１５近傍の温度を検出する温度センサＳ１１と、燃料電池スタック２を加熱するヒータ（加熱手段）１６とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード（燃料極） ：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
また、水素供給系では、水素供給タンク３から水素圧力レギュレータ４を通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給される。水素供給タンク３から供給される高圧水素は、水素圧力レギュレータ４で所望の圧力になるように制御されている。また、燃料電池スタック２のアノードで消費されなかった水素ガスは水素循環ポンプ６によって燃料循環路５を通じて燃料電池スタック２のアノードに再循環されている（以下、循環水素と記す）。したがって、アノードには水素供給タンク３から供給される水素と循環水素との混合水素が供給されている。このうち、循環水素は水蒸気を多く含んでおり、水素供給タンク３の乾燥した水素と混合してアノードに供給される水素を加湿し、高分子電解質膜を十分に加湿している。さらに、水素供給系内に蓄積した窒素を排出するために燃料循環路５から分岐してパージラインが設置され、このパージラインに設置されたパージ弁７によって不純物である窒素を排出するとともに、燃料電池スタック２のセル電圧を回復させるためにガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす機能も果たしている。

一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、空気供給装置８によって外部から吸入した空気を加圧して送出し、燃料電池スタック２のカソードに供給している。ここで、空気供給装置８は、例えばコンプレッサによって構成することができる。また、カソードにおける空気圧は圧力センサＰ２によって検出され、この検出値に基づいて空気供給装置８の回転数及び空気調圧弁９の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。

さらに、燃料電池スタック２を冷却するための冷却系では、冷却液ポンプ１０によって冷却液が循環され、燃料電池スタック２を冷却している。また、空気供給装置８を冷却するための冷却系も備えており、冷却液ポンプ１１によって冷却液が循環されて空気供給装置８であるコンプレッサを回すためのモータを冷却している。空気供給装置８を冷却して温度が上昇した冷却液は、熱交換器１２で放熱して温度を低下させて循環している。ここで、熱交換器１２は車両などではラジエータやラジエータファンなどである。

また、燃料電池スタック２には、発電した電力を消費する負荷装置１３が接続されている。ここでは電力変換装置１４としてインバータを接続し、燃料電池スタック２で発電された電力をエネルギー変換して負荷装置１３である駆動モータへ電力を供給するようにしている。そして、負荷装置１３における発電量を設定して燃料電池スタック２から負荷電流を取り出すようにしている。また、２次バッテリ１５に電力を蓄えて負荷装置１３に供給するようにしている。

次に、本実施例の燃料電池システム１による起動時の暖機発電の制御処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。

図２に示すように、まず燃料電池システム１の起動を開始して空気の供給と水素の供給を開始する（Ｓ２０１）。本実施例では水素系には水素循環ポンプ６を設けて水素ストイキを高く維持するようにしているので、水素循環ポンプ６もここで回転をスタートする。また、燃料電池スタック２のアノード出口には、蓄積した窒素を定期的に排出するためのパージ弁７を設けているが、パージ弁７は閉じたまま起動する。ただし、起動後はパージ弁７を定期的に開閉するパージ制御を開始する。空気供給装置８のコンプレッサモータを冷却するための冷却液ポンプ１１の駆動もここで開始し、冷却液を循環させて温度センサＳ１０で検出される空気供給装置８の出口における冷却液温度が目標温度になるように制御する。一方、燃料電池スタック２を冷却するための冷却液ポンプ１０の駆動は、低温起動時にはまだ行わずに冷却液を循環させることはない。

次に、燃料電池スタック２の暖機発電を開始する（Ｓ２０２）。このとき、暖機発電の開始と同時に冷却液ポンプ１０の駆動を開始して燃料電池スタック２に冷却液を循環させる。そして、燃料電池スタック２の発電によって燃料電池スタック２自体を暖めるとともに、冷却液も温めるようにする。

こうして暖機発電が開始されたら、次に暖機発電の終了判定条件を設定する（Ｓ２０３）。本発明では暖機発電が終了可能状態であるか否かを判定するために暖機発電時のスタック温度の上昇速度を使っている。そこで、暖機発電が終了可能状態であるか否かを判定するための温度範囲の設定を行なう。暖機発電を開始してスタック温度が第１の所定温度Ｔ１以上である場合に、暖機発電の終了判定を開始する。本実施例では第１の所定温度Ｔ１は予め設定された固定値とする。

また、暖機発電の終了判定に用いる温度としては、燃料電池スタック２のスタック温度、温度センサＳ９で検出される燃料電池スタック２の出口における冷却液温度、温度センサＳ７で検出される燃料電池スタック２の出口における空気温度、温度センサＳ３で検出される燃料電池スタック２の出口における水素温度のいずれかの温度を用いて暖機発電の終了判定を行うようにする。いずれの温度を用いてもよいが、本実施例では温度センサＳ９で検出される冷却液温度を使用している。

このように、いずれかの温度センサによって検出された値を用いて暖機発電の終了を判定するので、多くの温度センサを使うことなく燃料電池スタック２の暖機発電を終了するタイミングを判定することができる。

また、燃料電池スタック２を暖めるためのヒータ１６が設置されているが、ヒータ１６の近傍に設置されている温度センサは使わないようにする。本実施例では燃料電池スタック２に設置されているヒータ１６の輻射熱の影響が直接温度センサに伝わらないように、燃料電池スタック２から所定距離だけ離れて設置された温度センサＳ９による冷却液温度を使うようにする。したがって、以下の説明で「スタック温度」という表現は、燃料電池スタック２出口の冷却液温度のことを指すものとする。

次に、暖機発電を終了するタイミングの判定を行なう（Ｓ２０４）。具体的には後述する図３のフローチャートに基づいて説明する。

こうして暖機発電を終了するタイミングの判定が開始されたら、暖機発電終了フラグをセットする条件が成立するまでの間、スタック温度の上昇を加速させるための温度上昇加速処理を実行する（Ｓ２０５）。具体的な処理については後述する図５のフローチャートに基づいて説明する。

そして、暖機発電終了フラグがセットされたら、燃料電池システム１の起動を終了して（Ｓ２０６）、通常の運転状態に移行し（Ｓ２０７）、本実施例の燃料電池システム１による起動時の暖機発電の制御処理を終了する。

次に、図２のフローチャートのステップＳ２０４における暖機発電の終了判定処理を図３及び図４に基づいて説明する。図３は暖機発電の終了判定処理を示すフローチャート、図４は冷却液温度と発電電流の時間変化を説明するための図である。

まず、図４の時刻ｔ１に暖機発電を開始して発電電流を燃料電池スタック２から取り出し、燃料電池スタック２の出口における冷却液温度が第１の所定温度Ｔ１以上であるか否かを判断する（Ｓ３０１）。ここで、冷却液温度が第１の所定温度Ｔ１以下である場合には、暖機発電終了フラグをクリアしてから（Ｓ３０２）、リターンへジャンプして温度上昇を待つ。

一方、冷却液温度が第１の所定温度Ｔ１以上である場合には（図４の時刻ｔ２以降）、燃料電池スタック２の出口における冷却液の温度上昇速度が、所定閾値以下になったか否かを判定する（Ｓ３０３）。この所定閾値としては、冷却水温度が第１の所定温度Ｔ１以上に上昇したときの温度上昇速度を用いることができる。ただし、誤判定を避けるために温度上昇速度が所定時間以上の間、所定閾値以下になることを条件に追加してもよいし、或いは冷却水温度が第１の所定温度Ｔ１以上に上昇したときの温度上昇速度から所定のマージンを差し引いた上昇速度を所定閾値として用いるようにしてもよい。

このように冷却液温度の温度上昇速度が鈍くなる状態というのは、燃料電池スタック２の内部で凍結や解凍が繰り返し起こっている状態のときで、このような状態のときに発電電流を増加させると、電圧の異常低下を招く可能性がある。このため、本ステップでは冷却液の温度上昇速度が所定閾値以下となる場合には、燃料電池スタック２の発電電流を増加させないように制御して現状を維持する（Ｓ３０４、図４の時刻ｔ３〜ｔ４）。

そして、暖機発電の発電電流を維持している状態を続けていると、燃料電池スタック２の内部温度が上昇してスタックの内部で凍結している部分がなくなった状態になる。これにより、冷却液の温度上昇速度が再び大きくなるポイントが表れるので、冷却液の温度上昇速度が所定閾値以上になったか否かを判定することで（Ｓ３０５）、燃料電池スタック２の内部に凍結している部分がなくなったか否かを判定する。この所定閾値としては第１の所定温度Ｔ１まで温度が上昇したときの温度上昇速度とする。ただし、より正確に判定するために、現在の温度上昇速度が所定閾値以上になり、その状態が所定時間以上継続するか否かを判定するようにしてもよい。

そして、冷却液の温度上昇速度が所定閾値より小さい場合には暖機発電終了フラグをクリアしてから（Ｓ３０２）、リターンへジャンプする。一方、冷却液の温度上昇速度が所定閾値以上になった場合には（図４の時刻ｔ４以降）、過渡な負荷上昇に耐えられる状態であるか否かを判定するために、燃料電池スタック２の出口における冷却液温度が第２の所定温度Ｔ２以上であるか否かを判定する（Ｓ３０６）。

そして、冷却液温度が第２の所定温度Ｔ２より小さいときには暖機発電終了フラグをクリアしてから（Ｓ３０２）、リターンへジャンプする。一方、冷却液温度が第２の所定温度Ｔ２以上のときには、燃料電池スタック２の発電電流を所定の傾きで増加させる（Ｓ３０７、図４の時刻ｔ５以降）。

その後、所定の判定時間（固定値）の範囲内で燃料電池スタック２の出口における冷却液温度が発電電流の増加に追従して上昇するか否かを判定し（Ｓ３０８）、追従して冷却液温度が上昇しない場合には、暖機発電終了フラグをクリアしてから（Ｓ３０２）、リターンへジャンプし、冷却液温度が上昇するのを待って次の制御周期で再度判定する。一方、追従して冷却液温度が上昇する場合には暖機発電終了可能状態であると判断して暖機発電終了フラグをセットして（Ｓ３０９）、暖機発電の終了判定処理を終了する。

次に、図２のフローチャートのステップＳ２０５における温度上昇加速処理を図５に基づいて説明する。図５は温度上昇加速処理を示すフローチャートである。

図５に示すように、まず暖機発電終了フラグがクリア状態か否かを判定し（Ｓ５０１）、暖機発電終了フラグがクリア状態でないときにはリターンへジャンプして温度上昇加速処理を終了する。

一方、暖機発電終了フラグがクリア状態のときには、燃料電池スタック２の温度上昇を加速させるために、まず冷却液の流量を所定の流量まで低減する（Ｓ５０２）。このとき、図６に示すように、冷却液の温度が低いときには冷却液を停止し、冷却液の温度が上昇するにしたがって冷却液の流量を増やすようにしても良い。また、断続的に供給と停止を繰り返すように冷却液の供給を行なっても良い。

次に、空気供給装置８の消費電力を減らして、その電力をヒータ１６で消費するように制御する（Ｓ５０３）。ここで、空気供給装置８の消費電力を減らすために空気流量を低減させて回転数をＮ１だけ低下させるようにする。また、空気供給装置８の運転圧力、すなわち燃料電池スタック２のカソードにおける運転圧力をｐ１だけ低下するようにしてもよい。

そして、燃料電池スタック２のカソードとアノードの圧力増加と低下を繰り返し行なうようにする（Ｓ５０４）。ここで、圧力の増加と低下を繰り返す処理を図７に示す。図７に示すように、燃料電池スタック２への圧力を増加して燃料ガスを全体に行き渡るようにし、急激に圧力を下げたときの流速の変化で生成水を排出するようにしている。生成水を排出するだけであればカソードの圧力のみを増加、減少させればよいが、空気と水素に差圧をつけると燃料電池にダメージが生じる可能性があるので、アノードの圧力も同期して増減させるようにしている。

こうしてステップＳ５０４において圧力の増減が行なわれたら、リターンへジャンプして温度上昇加速処理を終了する。

このように、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の温度上昇速度の変化に基づいて暖機発電の終了を判定するので、燃料電池スタック２の内部で部分的に低温あるいは凍結状態の部分があることを検知することができ、これによって正確な暖機発電の終了タイミングを判定することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１以上で、尚且つ燃料電池スタック２の温度上昇速度が所定閾値より小さいときには暖機発電を継続するので、温度上昇速度の変化が緩やかになることを検知することによって燃料電池スタック２の内部が部分的に低温であったり、凍結したりしている状態を検出することができ、これによって燃料電池スタック２の内部に凍結が残っている状態をより正確に判定して暖気発電を継続することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１以上で、尚且つ燃料電池スタック２の温度上昇速度が所定閾値よりも小さいときには暖機発電による発電電流を増加させないので、燃料電池スタック２の内部で生成水が部分的に低温であったり、凍結したりしている場合に電流を取り出しすぎて電圧異常低下を招くことを防止することができ、燃料電池スタック２内部の凍結部分の解凍を継続することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１以上で、尚且つ燃料電池スタック２の温度上昇速度が所定閾値よりも小さいことを検知した後に、燃料電池スタック２の温度上昇速度が所定閾値よりも大きくなったときに暖機発電を終了するので、温度上昇速度の変化が緩やかになった後に氷が完全に解けて温度上昇速度の傾斜が再び急になることを検出することで燃料電池スタック２内部が完全に解凍したことを検出することができ、暖機発電の終了タイミングをより正確に判定することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、温度上昇速度の所定閾値を、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇するときの温度上昇速度に設定するので、燃料電池スタック２内部が完全に解凍して温度が上昇し始めたことを検出することができ、暖機発電の終了タイミングをより正確に判定することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１よりも高い第２の所定温度Ｔ２以上に上昇したときに暖機発電の発電電流を増加させ、これに伴って燃料電池スタック２の温度が追従して上昇したときに暖機発電を終了するので、燃料電池スタック２内部の氷が完全に解けたときに発電電流の増加に温度上昇が追従することを利用して燃料電池スタック２内部が完全に解凍したことを検出し、負荷の増加に耐えることが可能な暖機発電の終了タイミングを正確に判定することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の温度として、燃料電池スタック２のセル温度、燃料電池スタック２の冷却液出口温度、燃料電池スタック２の酸化剤ガス出口温度、燃料電池スタック２の燃料ガス出口温度のいずれかの温度を用いて判定するので、多くの温度センサを使うことなく、いずれかの温度センサによって検出された値を用いて暖機発電の終了を判定することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１では、暖機発電を継続しているときに燃料電池スタック２の冷却液の流量を低減するか、あるいは断続的にするので、冷却液の循環流量を低減することで燃料電池スタック２の温度上昇を加速して暖気発電を速やかに終了することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の温度が上昇するにしたがって冷却液の流量を増加させるので、燃料電池スタック２内部の温度分布が緩和されて（部分的な過温度緩和）燃料電池スタック２全体の温度をより速く上昇させることができる。

また、本実施例の燃料電池システム１では、暖機発電を継続しているときに空気供給装置８の電力を低減してヒータ１６の通電量を増加させるので、より速く燃料電池スタック２の温度を上昇させることができる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、暖機発電を継続しているときに燃料電池スタック２に供給される空気と水素ガスの圧力を、所定間隔で増減させるので、燃料電池スタック２の内部全体に原燃料を行き渡らせて発電することができ、これによって原料ガスの温度も高くなって燃料電池スタック２全体の温度を速く上昇させることができる。また、圧力を増減させることによって燃料電池スタック２の内部に余分に滞留した生成水を排出することができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムでは、実施例１における図３のステップＳ３０５において、冷却液の温度上昇速度と比較する所定閾値を補正するようにしたことが実施例１と異なっている。尚、本実施例の燃料電池システムの構成及びステップＳ３０５以外の処理は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。

実施例１では、ステップＳ３０５において冷却液の温度上昇速度と比較する所定閾値としては、第１の所定温度Ｔ１まで温度が上昇したときの温度上昇速度を用いていたが、本実施例ではこの所定閾値に対して補正を行なう。

ここで、本実施例の燃料電池システムによる閾値補正処理を図８に基づいて説明する。まず、ステップＳ８０１に示すように、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇したときの温度上昇速度が小さくなるにしたがって、所定閾値が大きくなるような補正係数Ｒ１を設定しておき、この関係に基づいて補正係数Ｒ１を求める。このとき、図２のステップＳ２０５で実施される温度上昇加速処理が実行される場合には、補正係数Ｒ１よりも所定閾値がさらに大きい値となる補正係数Ｒ２に変更する。

一方、ステップＳ８０２では燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１以上まで上昇するときの時間が長くなるにしたがって、所定閾値が大きくなるような補正係数Ｒ３を設定しておき、この関係に基づいて補正係数Ｒ３を求める。

こうして、ステップＳ８０１で求めた補正係数Ｒ１あるいはＲ２と、ステップＳ８０２で求めた補正係数Ｒ３とを比較して大きいほうを補正係数として決定する（Ｓ８０３）。そして、この補正係数を予め設定されている所定閾値（第１の所定温度Ｔ１まで温度が上昇したときの温度上昇速度）に乗算して（Ｓ８０４）、補正された所定閾値を算出して本実施例の燃料電池システムによる閾値補正処理を終了する。

こうして算出された補正済みの所定閾値と冷却液の温度上昇速度とを図３のステップＳ３０５で比較し、冷却液の温度上昇速度が所定閾値以上になったか否かを判定することによって、燃料電池スタック２の内部で凍結している部分がなくなったことを検出する。

このように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇するときの温度上昇速度が小さくなるほど温度上昇速度の所定閾値を大きい値に補正するので、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇する速度が遅く、燃料電池スタック２の内部に低温な部分が多くて部分的な低温や凍結が残存しやすい状況の場合でも、低温や凍結の部分のない暖機発電の終了タイミングをより正確に判定することができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度まで上昇する時間が長くなるほど温度上昇速度の所定閾値を大きい値に補正するので、燃料電池スタック２の内部に低温な部分が多くて部分的な低温や凍結が残存しやすい状況の場合でも、低温や凍結の部分のない暖機発電の終了タイミングをより正確に判定することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システムでは、温度上昇加速処理を実施したときには、温度上昇速度の所定閾値をより大きな値に補正するので、温度上昇加速処理を実行した場合に燃料電池スタック２の暖機発電の終了タイミングを誤判定しないようにできる。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムでは、実施例１における図３のステップＳ３０８において実施される冷却液温度の追従判定における判定時間を、燃料電池スタック２の温度上昇に応じて設定できるようにしたことが実施例１と異なっている。尚、本実施例の燃料電池システムの構成及びステップＳ３０８以外の処理は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。

実施例１では、ステップＳ３０８において、所定の判定時間（固定値）の範囲内で冷却液温度が発電電流の増加に追従して上昇するか否かを判定していたが、本実施例ではこの判定時間を、燃料電池スタック２の冷却液温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇するときの上昇速度と、上昇するまでの時間とに応じて設定できるようになっている。

ここで、本実施例の燃料電池システムによる判定時間の設定処理を図９に基づいて説明する。まず、ステップＳ９０１に示すように、燃料電池スタック２の冷却水温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇したときの温度上昇速度が小さくなるにしたがって大きくなるような判定時間Ｘ１を設定しておき、この関係に基づいて判定時間Ｘ１を求める。

一方、ステップＳ９０２では燃料電池スタック２の冷却水温度が第１の所定温度Ｔ１以上まで上昇するときの時間が長くなるにしたがって大きくなるような判定時間Ｘ２を設定しておき、この関係に基づいて判定時間Ｘ２を求める。

そして、ステップＳ９０１で求めた判定時間Ｘ１と、ステップＳ９０２で求めた判定時間Ｘ２とを比較して大きいほうを判定時間として決定して（Ｓ９０３）、本実施例の燃料電池システムによる判定時間の設定処理を終了する。

こうして算出された補正済みの判定時間を用いて図３のステップＳ３０８における冷却液温度の追従判定を実施する。

また、追従判定を実施する場合には燃料電池スタック２から取り出す電流を増加させるが、本実施例の燃料電池システムでは燃料電池スタック２から増加して取り出す電流の電流値を、図１０に示すように燃料電池スタック２の冷却水温度が低くなるにしたがって小さくなるように設定している。

このように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック２の温度が発電電流に追従して上昇したか否かを判定するための判定時間を、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇するときの温度上昇速度が小さいほど長くなるように設定するので、確実に燃料電池スタック２の温度が発電電流に追従して上昇したことを検知することができ、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇する速度が遅くて燃料電池スタック２の内部に低温な部分が多く部分的に低温、凍結が残存しやすい状況の場合でも、確実に低温や凍結した部分のない暖機発電の終了タイミングを判定することができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック２の温度が発電電流に追従して上昇したか否かを判定するための判定時間を、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇するときの時間が長いほど長くなるように設定するので、確実に燃料電池スタック２の温度が発電電流に追従して上昇したことを検知することができ、燃料電池スタック２の温度が第１の所定温度Ｔ１まで上昇する時間が長くて燃料電池スタック２の内部に低温な部分が多く部分的に低温、凍結が残存しやすい状況の場合でも、確実に低温や凍結した部分のない暖機発電の終了タイミングを判定することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システムでは、暖機発電の発電電流を増加させるときに、燃料電池スタック２の温度が低いほど発電電流の増加を小さくするので、発電電流を引き出しすぎて電圧の異常低下の発生を防ぐことができる。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 実施例１に係る燃料電池システムによる起動時の暖機発電の制御処理を示すフローチャートである。 実施例１に係る燃料電池システムによる暖機発電の終了判定処理を示すフローチャートである。 実施例１に係る燃料電池システムの冷却液温度と発電電流の時間変化を説明するための図である。 実施例１に係る燃料電池システムによる温度上昇加速処理を示すフローチャートである。 実施例１に係る燃料電池システムの温度上昇加速処理における燃料電池スタックの冷却液温度と冷却水流量との関係を示す図である。 実施例１に係る燃料電池システムの温度上昇加速処理における圧力の変化を説明するための図である。 実施例２に係る燃料電池システムの暖機発電の終了判定処理における閾値補正処理を示すフローチャートである。 実施例３に係る燃料電池システムの暖機発電の終了判定処理における判定時間の設定処理を示すフローチャートである。 実施例３に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックの冷却水温度と追従判定に用いる発電電流との関係を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 水素供給タンク
４ 水素圧力レギュレータ
５ 燃料循環路
６ 水素循環ポンプ
７ パージ弁
８ 空気供給装置
９ 空気調圧弁
１０ 冷却液ポンプ
１１ 冷却液ポンプ
１２ 熱交換器
１３ 負荷装置
１４ 電力変換装置
１５ ２次バッテリ
１６ ヒータ（加熱手段）
Ｖ１〜Ｖ３ 電圧センサ
Ｐ１、Ｐ２ 圧力センサ
Ｓ１〜Ｓ１１温度センサ
Ｉ１、Ｉ２電流センサ

Claims (17)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタックを備え、起動時に前記燃料電池スタックの暖機発電を実施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温度上昇速度の変化に基づいて前記暖機発電の終了を判定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの温度が第１の所定温度以上で、尚且つ前記燃料電池スタックの温度上昇速度が所定閾値より小さいときには前記暖機発電を継続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。
3. 前記燃料電池スタックの温度が第１の所定温度以上で、尚且つ前記燃料電池スタックの温度上昇速度が所定閾値よりも小さいときには前記暖機発電による発電電流を増加させないことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックの温度が第１の所定温度以上で、尚且つ前記燃料電池スタックの温度上昇速度が所定閾値よりも小さいことを検知した後に、前記燃料電池スタックの温度上昇速度が前記所定閾値よりも大きくなったときには前記暖機発電を終了することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記温度上昇速度の所定閾値は、前記燃料電池スタックの温度が前記第１の所定温度まで上昇するときの温度上昇速度に設定されている ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記温度上昇速度の所定閾値は、前記燃料電池スタックの温度が前記第１の所定温度まで上昇するときの温度上昇速度が小さくなるほど大きい値に補正され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。
7. 前記温度上昇速度の所定閾値は、前記燃料電池スタックの温度が前記第１の所定温度まで上昇する時間が長くなるほど大きい値に補正され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。
8. 前記燃料電池スタックの温度上昇を加速させるための温度上昇加速処理を実施したときには、前記温度上昇速度の所定閾値をより大きな値に補正す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。
9. 前記燃料電池スタックの温度が前記第１の所定温度よりも高い第２の所定温度以上に上昇したときには前記暖機発電の発電電流を増加させ、これに伴って前記燃料電池スタックの温度が追従して上昇したときには前記暖機発電を終了することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックの温度が発電電流に追従して上昇したか否かを判定するための判定時間は、前記燃料電池スタックの温度が前記第１の所定温度まで上昇するときの温度上昇速度が小さいほど長くなるように設定されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池スタックの温度が発電電流に追従して上昇したか否かを判定するための判定時間は、前記燃料電池スタックの温度が前記第１の所定温度まで上昇するときの時間が長いほど長くなるように設定されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
12. 前記暖機発電の発電電流を増加させるときには、前記燃料電池スタックの温度が低いほど前記発電電流の増加を小さくすることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池スタックの温度は、前記燃料電池スタックのセル温度、前記燃料電池スタックの冷却液出口温度、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス出口温度、前記燃料電池スタックの燃料ガス出口温度のいずれかの温度を用いて判定することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記暖機発電を継続しているときには、前記燃料電池スタックの冷却液の流量を低減するか、あるいは断続的にすることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池スタックの温度が上昇するにしたがって前記冷却液の流量を増加させる ことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記暖機発電を継続しているときには、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段の電力を低減し、前記燃料電池システムを加熱するための加熱手段の通電量を増加させることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
17. 前記暖機発電を継続しているときには、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスと燃料ガスの圧力を、所定間隔で増減させることを特徴とする請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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