JP2008210646A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の暖機を促進するため、燃料電池への冷媒供給が制限されている状態において、燃料電池内の冷媒の温度を適切に把握しつつ、この把握した温度に基づいて、冷媒流量を制御可能な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、冷媒循環系２０と、可変オリフィス２２と、可変オリフィス２２を制御するＥＣＵ５０と、冷媒流路１３の冷媒の温度を推定するＥＣＵ５０と、を備え、制限モードの継続時において、ＥＣＵ５０は、推定した冷媒の温度Ｔ１と、制限モードを解除すべき解除温度Ｔ３と、に基づいて、制限モードを解除するか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。
このような燃料電池は、好適に発電する温度（好適発電温度）を固有している。例えば、固体高分子型燃料電池の好適発電温度は８５〜９５℃であり、これは燃料電池を構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）のアノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）の種類に主に依存する。したがって、燃料電池の発電を開始させる際、燃料電池の温度をその好適発電温度に速やかに昇温し、その後、冷媒を通流することで燃料電池を適宜に冷却し、好適発電温度に維持することが好ましい。

しかしながら、０℃未満等の低温環境下から燃料電池を起動（低温起動）する場合、燃料電池を通流する冷媒も低温である。そして、このような低温の冷媒が暖機中の燃料電池に連続的に通流すると、自己発熱による熱エネルギが冷媒に移動し、燃料電池の暖機に時間がかかってしまう虞がある。

そこで、燃料電池を低温起動する場合、例えば、燃料電池のＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）が所定のＩ−Ｖ特性以上となり、暖機が完了したと判定されるまで、燃料電池に供給される冷媒の流量を制限する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００５−１１６２５７号公報

しかしながら、燃料電池の発電効率が悪い場合等は、燃料電池から放出される熱量が多くなり、つまり、燃料電池の自己発熱量が高くなる場合があり、燃料電池のＩ−Ｖ特性が所定のＩ−Ｖ特性以上となって暖機が完了したと判定される前に、燃料電池が、その耐熱温度等に基づいて設定される所定温度以上に昇温する虞がある。

すなわち、従来は、燃料電池のＩ−Ｖ特性が所定のＩ−Ｖ特性以上に到達したか否かに基づいて、暖機が完了したか否かを判定し、この判定結果に基づいて、冷媒流量の制限を解除するか否かの制御を行っていたので、Ｉ−Ｖ特性が上昇せず、暖機完了前に、発電効率の低下によって燃料電池が放出する熱量が多くなった場合、燃料電池の温度と共に、冷媒の温度も上昇し、その結果、燃料電池内で冷媒が沸騰してしまう虞がある。

そこで、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）に基づいて、冷媒流量の制限を解除するか否かを判定する方法が考えられる。
燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握する一方法として、燃料電池から排出された冷媒の温度は、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）と略等しいと考え、燃料電池から排出された冷媒の温度を検出する方法がある。
ところが、前記したように、冷媒の流量を制限している場合、特に、冷媒流量をゼロを含め極少流量に制限している場合、冷媒が燃料電池内に滞留、つまり、燃料電池からは極少流量でしか冷媒が排出されない。よって、排出された冷媒の温度に基づいて、燃料電池内の冷媒の温度を把握することは困難である。

その他、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握する一方法として、燃料電池のアノードから排出された水素オフガスの温度に基づいて、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握する方法がある。

しかしながら、近年の燃料電池システムは、水素の利用効率を高めるため、水素オフガスに含まれる未反応の水素を再利用するための水素循環系を備えている。このような水素循環系を備える燃料電池システムでは、発電停止中に生成した結露水や、循環する水素に同伴する水蒸気等の不純物を排出するため、パージが適宜に行われ、このようにパージされると水素オフガスの温度が変動する。したがって、このように変動する水素オフガスの温度に基づいて、燃料電池の温度（燃料電池内の冷媒の温度）を把握することは困難である。

そこで、本発明は、燃料電池の暖機を促進するため、燃料電池への冷媒供給が制限されている状態において、燃料電池内の冷媒の温度を適切に把握しつつ、この把握した温度に基づいて、冷媒流量を制御可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

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と、前記燃料電池の冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記燃料電池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、前記冷媒流量制限手段を制御する制御手段と、前記燃料電池内の冷媒の温度を推定する冷媒温度推定手段と、を備え、前記冷媒流量制限手段が前記燃料電池に供給される冷媒の流量を制限している場合、前記制御手段は、前記冷媒温度推定手段が推定した前記燃料電池内の冷媒の温度と、冷媒の流量制限を解除すべき解除温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除するか否かを判定することを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、冷媒流量制限手段によって冷媒の流量がゼロを含めて制限され、燃料電池から排出される冷媒が極小流量である場合や、水素循環系を備え、循環する水素のパージが適宜に行われる場合でも、冷媒温度推定手段によって、燃料電池内の冷媒の温度を推定し、把握することができる。

そして、制御手段が、この推定された燃料電池内の冷媒の温度と、冷媒の流量制限を解除すべき解除温度と、に基づいて、冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除するか否かを判定し、この判定結果に基づいて、制御手段が冷媒流量制限手段を制御するので、冷媒流路に適切な流量で冷媒を供給することができる。
すなわち、解除すべき判定がされた場合、制御手段が冷媒流量制限手段を制御して、冷媒流量の制限を解除するので、燃料電池の冷媒流路には、解除された流量（後記する実施形態の通常流量）で冷媒が供給され、燃料電池の冷媒が沸騰することを防止しつつ、燃料電池が過昇温することを防止できる。

また、前記冷媒温度推定手段は、制限開始前の冷媒の温度と、制限開始後の前記燃料電池の発熱量とに基づいて、前記燃料電池内の冷媒の温度を推定することを特徴とする燃料電池システムであることが好ましい。

このような燃料電池システムによれば、冷媒温度推定手段が、制限開始前の冷媒の温度と、制限開始後の燃料電池の発熱量とに基づいて、燃料電池内の冷媒の温度を推定し、冷媒供給の制限の解除判定をすることができる。

また、前記冷媒流路から排出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除した後、前記制御手段は、前記温度センサが検出した冷媒の温度と、前記解除温度よりも低く、冷媒流量の制限を開始すべき開始温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を開始するか否かを判定することを特徴とする燃料電池システムであることが好ましい。

このような燃料電池システムによれば、冷媒の流量の制限を解除した後、制御手段が、温度センサが検出した冷媒の温度と、解除温度よりも低く、冷媒流量の制限を開始すべき開始温度と、に基づいて、冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を開始するか否かを判定する。
これにより、冷媒の流量の制限を開始するべき判定がされた場合、制御手段が冷媒流量制限手段を制御して、冷媒流量の制限を開始するので、燃料電池の冷媒流路には、制限された流量で冷媒が供給される。その結果、燃料電池の暖機を促進することができる。

冷媒の流量の制限を開始すべき開始温度は、冷媒の流量の制限を解除すべき解除温度よりも低いので、冷媒の流量の制限の開始と、制限の解除との切替の頻度を少なくすることができる。よって、開始温度と解除温度との差は、なるべく大きくすることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の暖機を促進するため、燃料電池への冷媒供給が制限されている状態において、燃料電池内の冷媒の温度を適切に把握しつつ、この把握した温度に基づいて、冷媒流量を制御可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム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、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒（例えばエチレングリコール）を循環させる冷媒循環系２０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３０と、ＩＧ４１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。

＜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）の固体高分子型の単セルが積層して構成された燃料電池であり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟む２枚のセパレータと、を主に備えている。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、を主に備えている。

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（燃料ガス、反応ガス）、空気（酸化剤ガス、反応ガス）を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１１（燃料ガス流路、反応ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路、反応ガス流路）として機能している。
そして、水素タンク（図示しない）等の水素供給源から、水素が、配管１１ａ、アノード流路１１を介して、各単セルのアノードに供給され、これに並行して、コンプレッサ（図示しない）等の空気供給手段から、酸素を含む空気が各単セルのカソードに供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応（電極反応）が起こり、各単セルで電位差（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、発電要求があり、後記するＶＣＵ３２が制御され、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。

また、各セパレータには、発電により自己発熱する燃料電池スタック１０が過昇温しないように、全単セルを適宜に冷却するための冷媒が流れる溝、貫通孔等が形成されている。そして、このように冷媒が流れる溝、貫通孔等によって、冷媒流路１３が構成されている。したがって、冷媒流路１３の容積、つまり、冷媒流路１３を流れる冷媒の量は、単セルの積層数や、セパレータに形成された溝の深さ・幅等の燃料電池スタック１０の仕様に依存する固定値であって、設計図や事前試験等によって求められる。

＜冷媒循環系＞
冷媒循環系２０（冷媒供給手段）は、冷媒流路１３に冷媒を供給すると共に、冷媒流路１３を経由するように冷媒を循環させる系であって、冷媒ポンプ２１と、可変オリフィス２２と、サーモスタット２３と、ラジエータ２４（放熱器）と、温度センサ２５とを主に備えている。

冷媒ポンプ２１の出口は、下流に向かって順に、配管２１ａ、可変オリフィス２２、配管２２ａ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、下流に向かって順に、配管２３ａ、サーモスタット２３、配管２３ｂを介して、冷媒ポンプ２１の入口に接続されている。そして、冷媒ポンプ２１が作動すれば、冷媒が、冷媒ポンプ２１、可変オリフィス２２、冷媒流路１３等を経由して、循環するようになっている。

可変オリフィス２２は、冷媒ポンプ２１から冷媒流路１３に送られる冷媒の流路断面積を変化させることで、この冷媒に付与される圧力損失を調整する圧力損失調整手段である。本実施形態において、可変オリフィス２２が冷媒に付与する圧力損失は、ＥＣＵ５０によって、通常モードと制限モードに対応して、２段階で制御されるようになっており、冷媒流量制限手段を構成している。
なお、通常モードは、冷媒流路１３に供給される冷媒の流量を制限しないモードであり、制限モードは、冷媒の流量を制限するモードである。また、本実施形態において、冷媒ポンプ２１は、一定の回転速度で作動する設定となっている。

また、サーモスタット２３は、配管２４ａ、ラジエータ２４、配管２４ｂを順に介して、配管２３ｂの途中に接続されている。そして、サーモスタット２３に導入される冷媒の温度が所定温度（例えば３０℃）以上である場合、サーモスタット２３が開き、冷媒がラジエータ２４に供給され、ラジエータ２４で冷却されるようになっている。一方、冷媒の温度が所定温度未満の場合、サーモスタット２３は閉じ、冷媒はラジエータ２４を迂回するようになっている。

温度センサ２５は、配管２３ａの冷媒流路１３寄りに配置されており、冷媒流路１３から排出された直後の冷媒の温度を検出し、ＥＣＵ５０に出力するようになっている。

そして、ＥＣＵ５０は、可変オリフィス２２が通常モードで制御されており、冷媒流路１３に通常流量で冷媒が供給され、冷媒流路１３から通常流量で冷媒が排出されている場合、温度センサ２５が検出した温度を、燃料電池スタック１０内の冷媒流路１３における冷媒の温度Ｔ１として、採用するように設定されている。すなわち、冷媒が通常モードで冷媒流路１３に供給されている場合、ＥＣＵ５０は、温度センサ２５を介して、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を検出するようになっている。
一方、可変オリフィス２２が制限モードで制御されており、冷媒流路１３に供給されている冷媒の流量が制限されている場合、冷媒流路１３から排出される冷媒の流量は少量であるので、ＥＣＵ５０は後記する方法によって、冷媒流路１３における冷媒の温度Ｔ１を推定するようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系３０は、燃料電池スタック１０の発電電力（出力）を制御すると共に、この発電電力を消費する系であり、燃料電池自動車を走行させる電動式の走行モータ３１と、ＶＣＵ３２（Voltage Control Unit）と、コンタクタ３３（スイッチ）と、出力検出器３４とを主に備えている。そして、走行モータ３１は、ＶＣＵ３２、コンタクタ３３、出力検出器３４を順に介して、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。

ＶＣＵ３２は、ＥＣＵ５０の指令に従って燃料電池スタック１０の出力（発電電力）を制御するユニットであり、ＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えている。すなわち、ＯＣＶが発生した状態で、ＥＣＵ５０がコンタクタ３３をＯＮし、発電要求に対応してＶＣＵ３２が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。
出力検出器３４は、燃料電池スタック１０全体の出力電流Ｉ１及び出力電圧Ｖ１を検出する機器であり、電流計及び電圧計を備えている。そして、出力検出器３４はＥＣＵ５０と接続されており、ＥＣＵ５０は燃料電池スタック１０の現在の出力電流Ｉ１及び出力電圧Ｖ１を検知するようになっている。

＜ＩＧ＞
ＩＧ４１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、ＩＧ４１はＥＣＵ５０と接続されており、ＥＣＵ５０はＩＧ４１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０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いる。
そして、ＥＣＵ５０は、ＩＧ４１のＯＮ信号を検知すると、コンタクタ３３をＯＮし、ＶＣＵ３２を適宜に制御して燃料電池スタック１０の発電を開始するように構成されている。

また、ＥＣＵ５０は、通常モード又は制限モードに対応して、可変オリフィス２２を制御する機能を備えている。
さらに、ＥＣＵ５０（冷媒温度推定手段）は、制限モード時において、後で説明するように、制限モード開始直前に温度センサ２５で実際に検出された冷媒の温度Ｔ１と、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１とに基づいて、現在の冷媒流路１３内の冷媒の温度Ｔ１を推定する機能を備えている。

さらにまた、ＥＣＵ５０は、通常モード時において、温度センサ２５が検出した冷媒の温度Ｔ１と、制限モードを開始させるべき開始温度Ｔ２とに基づいて、制限モードを開始するか否か、つまり、通常モードから制限モードに切り替えるか否かを判定する機能を備えている。
また、ＥＣＵ５０は、制限モード時において、後記するようにして推定した冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１と、制限モードを解除するべき解除温度Ｔ３とに基づいて、制限モードを解除するか否か、つまり、制限モードから通常モードに切り替えるか否かを判定する機能を備えている。

開始温度Ｔ２は、制限モードを開始させるべき温度であって、解除温度Ｔ３よりも低く設定された温度であり、冷媒の温度Ｔ１がこの温度以下になると、燃料電池スタック１０が過冷却状態になり、その発電性能を確保できない状態になる虞がある温度である。よって、開始温度Ｔ２は、例えば、単セルを構成するアノード及びカソードに含まれるＰｔ等の触媒が、良好な活性を発揮する温度範囲の下限温度に依存し、事前試験等によって求められ、例えば、３０〜３５℃に設定される。
また、低温起動時には、アノード等に水分が凍結した氷が残留しており、ＭＥＡの有効発電面積が小さくなっているので、制限モードを開始させ暖機を促進する開始温度Ｔ２は、当該氷を溶解することができる温度に設定される。

解除温度Ｔ３とは、制限モードを解除させるべき温度であって、冷媒の温度Ｔ１がこの温度以上になると、燃料電池スタック１０が過加熱状態になり、（１）冷媒流路１３の冷媒が沸騰する虞のある温度や、（２）ＭＥＡを構成する電解質膜がその耐熱温度以上となり劣化する虞のある温度や、（３）前記触媒が良好な活性を発揮する温度範囲の上限温度に依存し、事前試験等によって求められる。
なお、燃料電池スタック１０の仕様によっては、冷媒の温度Ｔ１が前記した（１）〜（３）の温度に到達する前に、燃料電池スタック１０のＩ−Ｖ特性が著しく低下する場合もあるので、この場合は、このＩ−Ｖ特性が著しく低下する温度を、解除温度Ｔ３としてもよい。

また、冷媒の温度Ｔ１と、開始温度Ｔ２又は解除温度Ｔ３とに基づいて、通常モードと制限モードとの切替判定（モード移行判定）を行うので、切り替え頻度を少なくするため、開始温度Ｔ２と解除温度Ｔ３とは、なるべく大きな温度差を設定することが好ましい。

その他、ＥＣＵ５０は、後記するフラグＡを参照して、現在の冷媒の供給モードを判定する冷媒供給モード判定機能と、ＩＧ４１のＯＮ後に燃料電池スタック１０を暖機する必要があるか否かを判定する暖機判定機能と、暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定機能とを備えている。
また、ＥＣＵ５０は、暖機は必要であると判定した場合、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を低温起動させる機能と、暖機は必要でないと判定した場合、燃料電池システム１を通常起動させる機能と、を備えている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ５０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。ＩＧ４１がＯＮされると、このＯＮ信号を検知したＥＣＵ５０は、各種処理を実行し、その結果として、図２に示す基本制御に係るフローチャートがスタートし、これに従って燃料電池システム１が起動する。なお、初期状態においてフラグＡは０に設定されている。

＜基本フローチャート＞
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０を暖機する必要があるか否かを判定する。暖機は必要であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、暖機は必要でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０３に進む。

なお、暖機の必要有無に係る具体的方法については特に限定はなく、例えば、ＩＧ４１のＯＮ時の温度（温度センサ２５が検出する冷媒の温度Ｔ１、外気温度等）が、所定温度（例えば０℃）未満の場合、燃料電池スタック１０内が凍結している虞があるので、暖機は必要であると判定する方法を採用できる。その他、燃料電池自動車（燃料電池システム１）の停止中の温度を継続して記憶する構成であった場合、ＩＧ４１のＯＮ時の温度が所定温度以上であっても、停止中に所定温度未満を経験していたとき、暖機は必要であると判定する方法を採用してもよい。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０内が凍結しておらず、暖機が必要でないので、これに対応した通常流量の水素及び空気を燃料電池スタック１０に供給して、燃料電池システム１を通常に起動する。そして、所定時間の間にて、通常起動した後、ＥＣＵ５０の処理はエンドに進み、起動時の制御を終了する。そして、燃料電池システム１は通常（定常）運転に移行する。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を、低温起動によっての起動を開始する。どのような方法で低温起動するかについては特に限定はなく、例えば、（１）燃料電池スタック１０に通常起動時よりも多量の水素及び空気を供給すると共に、燃料電池スタック１０の出力電力が高まるようにＶＣＵ３２を制御し、燃料電池スタック１０の自己発熱量を高める方法を採用できる。その他、（２）燃料電池スタック１０の出力電力は通常起動時と同じ設定にした上で、燃料電池スタック１０に供給する水素及び空気を減少させることで、自己発熱量を高める方法も採用できる。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、可変オリフィス２２を制御し、流量を制限しない通常モードで冷媒を冷媒流路１３に供給する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５０は、フラグＡを参照して、冷媒流路１３への冷媒の供給モードが通常モードであるか否かを判定する。
フラグＡが０であり、通常モードであると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、フラグＡが１であり、通常モードでないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ２００に進む。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５０は、温度センサ２５によって、燃料電池スタック１０内の冷媒流路１３における冷媒の温度Ｔ１を検出する。この場合、通常モードで冷媒流路１３に冷媒が供給されているので、冷媒流路１３に冷媒が滞留することはなく、冷媒流路１３から冷媒が通常流量で排出されている。
なお、このステップＳ１０６で検出した冷媒の温度Ｔ１は、一時的にＥＣＵ５０に記憶される。そして、この後、ステップＳ１０７の判定がＹｅｓとなり、冷媒流量を制限する制限モード（Ｓ１１１）に移行し、制限モードで動作している間、ステップＳ１０６で検出された冷媒の温度Ｔ１は、制限モードに移行する直前の温度として取り扱われる。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０６で検出した冷媒の温度Ｔ１が、制限モードを開始するべき開始温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。
冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２以下であると判定した場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１１１に進む。一方、冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２以下でないと判定した場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ５０は、通常モードで、冷媒流路１３に冷媒を供給する。
なお、ステップＳ１０７の判定がＮｏとなり、このステップＳ１０８に進んだ場合、通常モードが継続され、フラグＡは０で維持される。一方、後記するステップＳ１１０の判定がＹｅｓとなり、このステップＳ１０８に進んだ場合、制限モードから通常モードに切り替わり、フラグＡはリセットされ、０になる。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ５０は、暖機が完了したか否かを判定する。暖機は完了したと判定した場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はエンドに進み、起動時の制御を終了する。そして、燃料電池システム１は通常運転に移行する。一方、暖機は完了していないと判定した場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０５に進む。

なお、暖機完了判定の具体的方法は特に限定はなく、例えば、燃料電池スタック１０に供給している水素及び空気の流量、圧力に対応して、燃料電池スタック１０の出力検出器３４を介して検知されるＩ−Ｖ特性が実際に出力されているか否かで判定することができる。すなわち、実際に供給している水素の流量等に対応したＩ−Ｖ特性が得られていない場合、燃料電池スタック１０内は未だ凍結している虞があるとして、暖機は完了していないと判定することができる。

次に、ステップＳ１０５の判定がＮｏの場合に進むステップＳ２００を説明する。
ステップＳ２００において、ＥＣＵ５０は、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を推定する。具体的推定方法については、後で説明する。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２００で推定した冷媒の温度Ｔ１が、制限モードを解除（終了）するべき解除温度Ｔ３以上であるか否かを判定する。
冷媒の温度Ｔ１が解除温度Ｔ３以上であると判定した場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、冷媒の温度Ｔ１が解除温度Ｔ３以上でないと判定した場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１において、ＥＣＵ５０は、冷媒流量を制限する制限モードで、冷媒流路１３に冷媒を供給する。
なお、ステップＳ１１０の判定がＮｏとなり、このステップＳ１１１に進んだ場合、制限モードが継続され、フラグＡは１で維持される。一方、前記したステップＳ１０７の判定がＹｅｓとなり、このステップＳ１１１に進んだ場合、通常モードから制限モードに切り替わり、フラグＡは１になる。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０９に進む。

＜冷媒の温度Ｔ１の推定処理Ｓ２００＞
次に、図３を参照して、制限モード時における、燃料電池スタック１０内の冷媒の温度Ｔ１の推定処理を説明する。
ステップＳ３００において、ＥＣＵ５０は、制限モード継続間、つまり、制限モードの開始から現在までの間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１（ｃａｌ）を算出する。具体的算出方法は、後で説明する。

ステップＳ２０１において、ＥＣＵ５０は、制限モード継続間において、冷媒流路１３を通流した冷媒の累積量（Ｌ）を算出する。この冷媒の累積量（Ｌ）は、式（１）に示すように、冷媒流路１３の容積（Ｌ）と、制限モード時において冷媒流路１３に供給（又は排出）された冷媒の量（Ｌ）との和によって与えられる。
冷媒流路１３の容積（Ｌ）は、燃料電池スタック１０を構成する単セルの数や、各単セルを構成するセパレータにおいて冷媒流路１３の一部を構成する溝の形状等に関係し、燃料電池スタック１０の仕様に基づいて定められる固定値である。
冷媒の累積量（Ｌ）＝冷媒流路１３の容積（Ｌ）＋供給（排出）された冷媒の累積量（Ｌ） …（１）

冷媒流路１３に供給（排出）された冷媒の量（Ｌ）は、式（２）に示すように、制限モード時に冷媒流路１３に供給（排出）される冷媒の流量（Ｌ／ｓ）と、制限開始から現在まで制限モードが継続している時間（ｓ）と、の積で与えられる。
供給（排出）された冷媒の累積量（Ｌ）＝制限モード時の冷媒の流量（Ｌ／ｓ）×制限モードの継続時間（ｓ） …（２）

制限モード時に冷媒流路１３に供給等される冷媒の流量（Ｌ／ｓ）は、制限モード時における可変オリフィス２２の絞りの程度、冷媒ポンプ２１の回転速度に関係し、事前試験等により求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。そして、制限モード時の冷媒の流量（Ｌ／ｓ）は、通常モード時に対して小さくなる。なお、制限モード時に冷媒の流通を停止する場合、制限モード時の冷媒の流量は０（Ｌ／ｓ）となる。
また、制限モードの時間（ｓ）は、例えば、ＥＣＵ５０に内蔵されるクロックによって計測される。

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ５０は、その内部に記憶された燃料電池スタック１０の熱マスを読み込む。燃料電池スタック１０の熱マスとは、発電により自己発熱する燃料電池スタック１０によって、その内部を流れる冷媒が加熱される程度である。すなわち、燃料電池スタック１０の熱マスは、式（３）に示すように、燃料電池スタック自体の熱マス（熱伝導率）と、冷媒の熱マス（比熱）と、の積によって与えられ、燃料電池スタック１０の仕様と冷媒の種類とに関係する固定値であり、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ５０に記憶されている。
燃料電池スタックの熱マス＝燃料電池スタック自体の熱マス（熱伝導率）×冷媒の熱マス（比熱） …（３）

なお、燃料電池スタック１０自体の熱マスは、燃料電池スタック１０の仕様、つまり、これを構成するセパレータの材質等に関係し、事前試験等により求められる。冷媒の熱マス（比熱）は、冷媒の種類に関係する固有値であり、事前試験等により求められる。

ステップＳ２０３において、ＥＣＵ５０は、ステップＳ３００で算出した燃料電池スタック１０の発熱量と、ステップＳ２０１で算出した制限モード継続間における冷媒の累積量と、ステップＳ２０２で読み込んだ燃料電池スタック１０の熱マスと、に基づいて、制限モード継続間における冷媒の温度の変化量ΔＴを推定する。
なお、冷媒の温度の変化量ΔＴを推定する際、サーモスタット２３の開／閉、つまり、ラジエータ２４による放熱の有無を考慮して、補正してもよい。

ステップＳ２０４において、ＥＣＵ５０は、制限モードの開始直前に、ステップＳ１０６において実際に温度センサ２５で検出され、その内部に一時的に記憶されている冷媒の温度Ｔ１を読み込む。

ステップＳ２０５において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０の冷媒流路１３における冷媒の現在の冷媒の温度Ｔ１を、式（４）に示すように、ステップＳ２０４で読み込んだ制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１と、ステップＳ２０３で推定した制限モード継続間における冷媒温度の変化量ΔＴと、に基づいて推定する。
現在の冷媒の温度Ｔ１＝制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１＋制限モード継続間の冷媒温度変化量ΔＴ …（４）

その後、ＥＣＵ５０の処理は、エンドを経由して、図２のステップＳ１１０に進む。

＜燃料電池スタックの発熱量の算出処理Ｓ３００＞
次に、図４、図５を参照して、制限モード継続間における、燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１の一算出処理を説明する。
ここでは簡単に説明するため、制限モード継続間において、燃料電池スタック１０の実際の出力電流Ｉ１、実際の出力電圧Ｖ１が一定であると仮定する。なお、燃料電池スタック１０の実際の出力電圧Ｖ１は、分極により電圧を損失し、熱の発生を伴うため、理論起電圧Ｖ０よりも低くなる（図５、矢印Ａ１参照）。また、燃料電池スタック１０の理論起電圧Ｖ０は、直列に接続した単セル数をｎとした場合、式（１１）で与えられる。
燃料電池スタックの理論起電圧Ｖ０＝単セルの理論起電圧（１．２３Ｖ）×セル数ｎ …（１１）

そして、ステップＳ３０１に示すように、理論起電圧Ｖ０が実際の出力電圧Ｖ１に低下したことによる、燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２は、式（１２）によって与えられ、さらに式（１３）に展開される。
燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２＝理論出力Ｗ０−実際の出力Ｗ１ …（１２）
燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２＝実際の出力電流Ｉ１×理論起電圧Ｖ０−実際の出力電流Ｉ１×実際の出力電圧Ｖ１ …（１３）

なお、この損失出力Ｗ２は、分極により電圧を損失したことに起因するものであるから、損失出力Ｗ２に対応して熱エネルギが発生しており、この熱エネルギによって燃料電池スタック１０が自己発熱する。

そして、ステップＳ３０２に示すように、損失出力Ｗ２（Ｗ（Ｊ／ｓ））に基づいて、燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）が算出される（式（１４）参照）。なお、ここでは、制限モード継続間において、出力電流Ｉ１、出力電圧Ｖ１が一定であるので、燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２は一定となる。
燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）＝損失出力Ｗ２×０．２３８８ …（１４）

次いで、ステップＳ３０３に示すように、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１は、単位時間当たりの発熱量Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）と、制限モード継続時間（ｓ）との積によって与えられる（式（１５）参照）。
制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１（ｃａｌ）＝Ｑ２（ｃａｌ／ｓ）×制限モードの継続時間（ｓ） …（１５）

したがって、実際には、ＥＣＵ５０は、出力電流Ｉ１、出力電圧Ｖ１に基づいて、損失出力Ｗ２、次いで、単位時間当たりの発熱量Ｑ２を算出し、単位時間当たりの発熱量Ｑ２を制限モード継続時間で積分すれば、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１を算出することができる。
このように発熱量Ｑ１を算出した後、ＥＣＵ５０の処理は、エンドを経由して、図３のステップＳ２０１に進む。

≪燃料電池システムの効果≫
このような本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、主に以下の効果を得ることができる。
燃料電池スタック１０を暖機するため、燃料電池システム１が低温起動している場合であって、冷媒流路１３への冷媒供給を制限する制限モードに入っているとき、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１と、制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１とに基づいて、現在の冷媒の温度Ｔ１を推定することができる。

そして、推定された冷媒の温度Ｔ１と、解除温度Ｔ３とに基づいて、冷媒供給の制限を解除するか否か、つまり、制限モードを継続するか否か、言い換えると、通常モードに移行するか否かを判定するので、冷媒の沸騰を防止して燃料電池スタック１０の劣化を防止しつつ、冷媒流量を制限し燃料電池スタック１０の暖機を促進できる。

制限モードが解除され、通常モードに移行した後、冷媒の温度Ｔ１と、解除温度Ｔ３よりも低く設定された開始温度Ｔ２と、に基づいて、通常モードを終了し、再び制限モードに移行するか否かを判定するので、通常モード時に通常流量で供給される冷媒によって、燃料電池スタック１０が過冷却されることを防止できる。
また、開始温度Ｔ２は、解除温度Ｔ３よりも低く設定されており、つまり、開始温度Ｔ２と解除温度Ｔ３とは所定の温度差が設定されているので、通常モードと制限モードとの切り替え頻度を少なくすることができる。

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図６を参照して、燃料電池システム１の一動作例を説明する。なお、ここではＩＧ４１のＯＮ後、低温起動に入る場合を例示する。
ＩＧ４１がＯＮされると、燃料電池スタック１０に水素及び空気が供給された後、コンタクタ３３及びＶＣＵ３２が制御され、燃料電池スタック１０が発電する。これに並行して、可変オリフィス２２が通常モードに対応する開度のまま、冷媒ポンプ２１が作動し、これにより、冷媒流路１３に通常モードで冷媒が供給される。

その後、冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２以下であるので（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、制限モードに入る（Ｓ１１１）。制限モードで冷媒が供給されると、燃料電池スタック１０の冷媒の温度Ｔ１は、燃料電池スタック１０の発熱量等に基づいて推定され（Ｓ２００）、推定された冷媒の温度Ｔ１は上昇する。

その後、推定された冷媒の温度Ｔ１が解除温度Ｔ３に到達すると（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、通常モードに切り替わり（Ｓ１０８）、冷媒の温度Ｔ１が下がる。そして、冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２に下がると（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、制限モードに切り替わり（Ｓ１１１）、冷媒の温度Ｔ１の推定が開始される（Ｓ２００）。

その後、推定された冷媒の温度Ｔ１が開始温度Ｔ２に到達すると（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、通常モードに切り替わる（Ｓ１０８）。そして、通常モードでの冷媒の供給中に、燃料電池スタック１０の暖機が完了すると（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、通常運転に移行する。

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。

前記した実施形態では、可変オリフィス２２によって冷媒流路１３に供給される冷媒に付与する圧力損失を切り替えることで、通常モード／制限モードを切り替える構成を例示したが、その他に例えば、可変オリフィス２２に代えて、バタフライ弁を使用し、バタフライ弁の開度を制御することで、通常モード／制限モードを切り替える構成としてもよい。

前記した実施形態では、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が可変オリフィス２２を備えて構成される場合を例示したが、図７に示すように、冷媒流量制限手段として三方弁２６等を備える燃料電池システム２であってもよい。

燃料電池システム２は、可変オリフィス２２に代えて、三方弁２６を備えている。そして、三方弁２６は、配管２２ａを介して冷媒流路１３と、配管２６ａを介して冷媒流路１３の下流の配管２３ａと、に接続されている。つまり、配管２６ａは冷媒流路１３をバイパス（迂回）するバイパスラインとして機能している。
なお、配管２６ａは、温度センサ２５よりの下流側の配管２３ａに接続されている。これにより、温度センサ２５が、冷媒流路１３から排出された冷媒の温度を主に検出するようになっている。

三方弁２６は、ＥＣＵ５０によって、その開度が制御され、冷媒ポンプ２１からの冷媒を、通常モード／制限モードに対応して、流量０（Ｌ／ｓ）を含めて、配管２２ａ（冷媒流路１３）と配管２６ａとに振り分けて供給可能となっている。なお、三方弁２６に代えて、配管２２ａ、配管２６ａに開閉弁をそれぞれ設け、通常モード／制限モードに応じて、これら開閉弁の開度を制御する構成としてもよい。

その他、通常モード／制限モードに対応して、冷媒ポンプ２１の回転速度を制御する構成としてもよい。すなわち、通常モードから制限モードに切り替わった場合、冷媒ポンプ２１の回転速度を低下、又は冷媒ポンプ２１を停止させる構成であってもよい。

前記した実施形態では、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１を、燃料電池スタック１０の損失出力Ｗ２に基づいて算出する場合を例示したが、以下のようにして算出してもよい。
まず、固体高分子型の燃料電池スタック１０のアノードの電極反応は式（２１）、カソードの電極反応は式（２２）及び式（２３）、電池反応（全反応）は式（２４）で与えられ、式（２４）における熱量Ｑ２４（ｃａｌ／ｍｏｌ）は、式（２５）で与えられる。なお、Ｑ２１〜Ｑ２４は燃料電池スタック１０の仕様に基づいて定められる固定値である。

アノード： Ｈ_２＝２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋Ｑ２１ …（２１）
カソード： Ｏ_２＋４ｅ⁻＝２Ｏ^２−＋Ｑ２２ …（２２）
： ４Ｈ^＋＋０^２−＝２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ２３ …（２３）
電池反応： ２Ｈ_２＋Ｏ_２＝２Ｈ_２Ｏ＋Ｑ２４ …（２４）
Ｑ２４＝Ｑ２１＋Ｑ２２＋Ｑ２３ …（２５）

したがって、式（２４）より、燃料電池スタック１０において、水素が１ｍｏｌ消費された場合の発熱量Ｑ（ｃａｌ／ｍｏｌ）が算出される。

また、燃料電池スタック１０の出力電流をＩ１、これを構成する単セルの数をｎ（セル）とすると、出力電流Ｉ１の場合に燃料電池スタック１０で消費される水素のモル数Ｍ１（ｍｏｌ）は、式（２６）で与えられる。
消費された水素Ｍ１（ｍｏｌ）＝（出力電流Ｉ１（Ａ）／３６００（ｓ））×０．４１８×セル数ｎ×（２（ｍｏｌ）／２２．４（Ｌ／ｍｏｌ）） …（２６）

そうすると、式（２４）、式（２６）と、燃料電池スタック１０の出力電流Ｉ１とに基づいて、燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量Ｑ２、つまり、式（２４）のＱ２４を算出することができる。
したがって、このようにして算出された発熱量Ｑ２を、制限モードの継続時間で積分すれば、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１を算出することができる。

前記した実施形態では、制限モード時における冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を、制限モード開始直前に検出された冷媒の温度Ｔ１と、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の発熱量Ｑ１と、に基づいて算出し、推定する場合を例示したが、その他に例えば、ＥＣＵ５０（冷媒温度推定手段）が、燃料電池スタック１０の発電電力と単位時間当たりの発熱量とが予め関連付けられたマップ参照して、発電電力（発電量）に基づいて単位時間当たりの発熱量（ΔＴ／ｓ）を累計し、累計された単位時間当たりの発熱量と制限モード継続時間とを乗算することで、制限モード継続間における燃料電池スタック１０の総発熱量Ｑ１を算出する。そして、この総発熱量Ｑ１と制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１とに基づいて、制限モード時における現在の冷媒の温度Ｔを算出し、推定することができる。このような方法によれば、制限モード時における運転状態（燃料電池スタック１０の発熱量、発電電力等）が変化しても、現在の冷媒の温度Ｔを算出できる。なお、燃料電池スタック１０の発電電力が大きくなると、その発熱量は大きくなる。

また、制限モード時における運転状態（燃料電池スタック１０の発熱量、発電電力等）が一定ならば、制限モード継続時間と冷媒の温度Ｔ１の変化量ΔＴとが予め関連付けられたマップを参照して、実際の制限モード継続時間から変化量ΔＴを算出し、この温度の変化量ΔＴと、制限モード開始直前の冷媒の温度Ｔ１と、に基づいて、制限モード時における現在の冷媒の温度Ｔを算出し、推定することができる。

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に、本発明を適用してもよい。

前記した実施形態では、温度センサ２５によって、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を検出する場合を例示したが、配管１１ｂ及び／又は配管１２ｂに温度センサを設け、アノードオフガス及び／又はカソードオフガスの温度に基づいて、冷媒流路１３の冷媒の温度Ｔ１を間接的に推定し、検出する構成としてもよい。
なお、水素循環系を備える燃料電池システムの場合、循環する水素のパージに連動するアノードオフガスの温度の変化に起因する、冷媒の温度Ｔ１の誤推定を防止するため、パージされていない場合におけるアノードオフガスの温度に基づいて推定することが好ましい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 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２に示す冷媒の温度Ｔ１の推定処理を示すフローチャートである。 図３に示す制限モード開始時からの燃料電池スタックの発熱量を算出する処理を示すフローチャートである。 理論出力と実際の出力とに基づいて、燃料電池スタックの発熱量を求めることを示す概念図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 変形例に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１３ 冷媒流路
２０ 冷媒循環系（冷媒供給手段）
２１ 冷媒ポンプ
２２ 可変オリフィス（冷媒流量制限手段）
３４ 出力検出器（出力検出手段）
５０ ＥＣＵ（制御手段、冷媒温度推定手段）
Ｔ１ 冷媒の温度
Ｔ２ 制限モードの開始温度
Ｔ３ 制限モードの解除温度
Ｉ１ 燃料電池スタックの実際の出力電流
Ｖ０ 燃料電池スタックの理論起電圧
Ｖ１ 燃料電池スタックの実際の出力電圧
Ｗ０ 燃料電池スタックの理論出力
Ｗ１ 燃料電池スタックの実際の出力
Ｗ２ 燃料電池スタックの損失出力

Claims (3)

1. 反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
   前記燃料電池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、
   前記冷媒流量制限手段を制御する制御手段と、
   前記燃料電池内の冷媒の温度を推定する冷媒温度推定手段と、
   を備え、
   前記冷媒流量制限手段が前記燃料電池に供給される冷媒の流量を制限している場合、前記制御手段は、前記冷媒温度推定手段が推定した前記燃料電池内の冷媒の温度と、冷媒の流量制限を解除すべき解除温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除するか否かを判定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷媒温度推定手段は、制限開始前の冷媒の温度と、制限開始後の前記燃料電池の発熱量とに基づいて、前記燃料電池内の冷媒の温度を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒流路から排出された冷媒の温度を検出する温度センサを備え、
   前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を解除した後、前記制御手段は、前記温度センサが検出した冷媒の温度と、前記解除温度よりも低く、冷媒流量の制限を開始すべき開始温度と、に基づいて、前記冷媒流量制限手段による冷媒の流量の制限を開始するか否かを判定する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

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