JP2016096072A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下における燃料電池システムの起動性の低下を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、カソードガス給排部３０と、アノードガス給排循環部５０と、冷媒供給部７０と、を備える。制御部１０は、燃料電池２０の起動時に、冷媒供給部７０の温度計測部７６ａ，７６ｂによって燃料電池２０の温度を取得する。制御部１０は、燃料電池２０の温度が所定の閾値より低い場合には、燃料電池２０の温度に基づいて水素ポンプ６４の目標回転数を設定し、水素ポンプ６４に流入するアノード排ガスの流量を制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。）では、発電反応によって、内部に多量の水分が生成され排出される。燃料電池システムにおいては、氷点下などの低温環境下においてシステム内に残留している水分の凍結によってシステムの起動性が低下してしまうことを抑制するための技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２８２８２３号公報

特許文献１の技術では、燃料電池内部の含水量を求め、その含水量に応じて、燃料電池の掃気の条件や、氷点下での燃料電池の起動モードを切り替えることによって、残留水分の凍結に起因するシステムの起動性の低下を抑制している。しかしながら、本発明の発明者は、低温環境下では、起動前に燃料電池に残留していた水分に限らず、起動時に燃料電池において生成される水分の凍結によってもシステムの起動性が低下してしまう可能性があることを見出した。低温環境下における燃料電池システムの起動性の低下を抑制する技術には、依然として改良の余地がある。

本発明は、燃料電池システムにおける少なくとも上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

［１］本発明の第１の形態によれば、燃料電池システムの制御方法が提供される。この制御方法は、温度取得工程と、排ガス制御工程と、を備えて良い。前記温度取得工程は、燃料電池の起動時に、前記燃料電池の温度を取得する工程であって良い。前記排ガス制御工程は、前記燃料電池の温度が所定の値より低い場合に、前記燃料電池の排ガスの流路の少なくとも一部を構成する流路構成部に流入する前記排ガスの流量を制限する工程であって良い。この形態の燃料電池システムの制御方法によれば、低温環境下において流路構成部に流入する排ガスの流量を制限することができるため、排ガスに含まれる水蒸気によって流路構成部が凍結してしまうことが抑制される。従って、低温環境下における燃料電池システムの起動性の低下が抑制される。

［２］上記形態の制御方法において、前記排ガス制御工程は、前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料電池の温度が低いほど前記排ガスの流量を小さく設定する工程を含んで良い。この形態の制御方法によれば、排ガスに含まれる水蒸気による流路構成部の凍結がさらに抑制される。

［３］上記形態の制御方法において、前記排ガス制御工程は、予め準備された前記燃料電池の温度と前記排ガスの流量の許容値との関係に基づいて、前記燃料電池の温度に対する前記許容値を取得し、前記排ガスの流量を前記許容値に設定する工程を含み、前記許容値は、前記燃料電池の温度における前記排ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決められた値であって良い。この形態の制御方法によれば、排ガスに含まれる水蒸気による流路構成部の凍結がさらに抑制される。

［４］上記形態の制御方法は、さらに、前記流路構成部の温度を表す値を取得する流路構成部温度取得工程と、前記流路構成部の温度を表す値が所定の値より大きくなったときに前記排ガスの流量の制限を解除する制限解除工程と、を備えて良い。この形態の制御方法によれば、流路構成部の温度が凍結の可能性が低い温度になったときに、排ガスの流量の制限が解除されるようにできるため、排ガスの流量の制限によるシステム効率の低下が抑制される。

［５］上記形態の制御方法において、前記流路構成部温度取得工程は、前記排ガスの流量と、前記燃料電池の温度と、に基づいて、前記流路構成部の温度を表す値を取得する工程であって良い。この形態の制御方法によれば、流路構成部の温度の直接的な計測を省略することができ、効率的である。

［６］上記形態の制御方法において、前記流路構成部は、前記燃料電池に前記排ガスを循環させる循環ポンプを含み、前記排ガス制御工程は、前記循環ポンプの回転数によって前記排ガスの流量を制御する工程を含んで良い。この形態の制御方法によれば、低温環境下において、循環ポンプの凍結に起因して燃料電池システムの起動性が低下してしまうことが抑制される。

［７］本発明の第２の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この形態の燃料電池システムは、燃料電池と、温度取得部と、排ガス処理部と、制御部と、を備えて良い。前記温度取得部は、前記燃料電池の温度を取得可能であって良い。排ガス処理部は、前記燃料電池の排ガスの流路の少なくとも一部を構成する流路構成部を有し、前記排ガスを処理可能であって良い。前記制御部は、前記排ガス処理部を制御可能であって良い。前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記流路構成部に流入する前記排ガスの流量を制限する流量制限制御を実行して良い。この形態の燃料電池システムによれば、低温環境下において流路構成部に流入する排ガスの流量を制限することができるため、排ガスに含まれる水蒸気によって流路構成部が凍結してしまうことが抑制される。従って、低温環境下における燃料電池システムの起動性の低下が抑制される。

［８］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記流量制限制御は、前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料電池の温度が低いほど前記排ガスの流量を小さく設定する制御であって良い。この形態の燃料電池システムによれば、排ガスに含まれる水蒸気による流路構成部の凍結がさらに抑制される。

［９］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記流量制限制御において、予め準備された前記燃料電池の温度と前記排ガスの流量の許容値との関係に基づいて、前記燃料電池の温度に対する前記許容値を取得し、前記排ガスの流量を前記許容値に設定して良い。前記許容値は、前記燃料電池の温度における前記排ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決められた値であって良い。この形態の燃料電池システムによれば、排ガスに含まれる水蒸気による流路構成部の凍結がさらに抑制される。

［１０］上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記流路構成部の温度を表す値を取得する流路構成部温度取得部を備えて良い。前記制御部は、前記流路構成部の温度を表す値が所定の値より大きくなったときに前記排ガスの流量の制限を解除して良い。この形態の燃料電池システムによれば、流路構成部の温度が凍結の可能性が低い温度になったときに、排ガスの流量の制限が解除されるようにできるため、排ガスの流量の制限によるシステム効率の低下が抑制される。

［１１］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記流路構成部温度取得部は、前記排ガスの流量と、前記燃料電池の温度と、に基づいて、前記流路構成部の温度を表す値を取得して良い。この形態の燃料電池システムによれば、流路構成部の温度を直接的に計測する温度計測部を省略することができ、効率的である。

［１２］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記排ガス処理部は、前記流路構成部として循環ポンプを備え、前記循環ポンプによって、前記排ガスを前記燃料電池に循環させて良い。前記制御部は、前記循環ポンプの回転数によって前記排ガスの流量を制御して良い。この形態の燃料電池システムによれば、低温環境下において、循環ポンプの凍結に起因して燃料電池システムの起動性が低下してしまうことが抑制される。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、燃料電池システムの制御方法や燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載する移動体や、燃料電池システムの起動方法、循環ポンプの制御方法、燃料電池の排ガスの処理方法、それらの方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 燃料電池システムの起動時における運転制御のフローを示す説明図。 排ガス制御のフローを示す説明図。 ポンプ回転数マップの一例を示す説明図。 氷点下起動時における燃料電池の温度と水素ポンプの温度の時間変化の一例と、水素ポンプの回転数の時間変化の一例と、を示す説明図。 ポンプ温度取得処理のフローを示す説明図。 昇温速度マップの一例を示す説明図。

A．実施形態：
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、カソードガス給排部３０と、アノードガス給排循環部５０と、冷媒供給部７０と、を備える。

制御部１０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成され、主記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、燃料電池システム１００の運転中に、以下に説明する各構成部を制御して、燃料電池２０に出力要求に応じた電力を発電させる燃料電池２０の運転制御を実行する。制御部１０は、さらに、氷点下近傍の低温環境下において、燃料電池２０の排ガスに含まれる水蒸気の凍結に起因するシステム起動性の低下を抑制するための排ガス制御を実行する機能を有する。その他に、制御部１０は、排ガス制御のときに水素ポンプ６４の温度を表すパラメーターであるポンプ温度を取得するポンプ温度取得部１５としての機能を有する。排ガス制御および排ガス制御のときにポンプ温度取得部１５が実行する処理については後述する。

燃料電池２０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０は、複数の単セル２１が積層されたスタック構造を有する。各単セル２１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレーター（図示せず）と、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。

カソードガス給排部３０は、燃料電池２０にカソードガスを供給する機能と、燃料電池２０のカソードから排出されるカソード排ガスおよび排水を燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、を有する。カソードガス給排部３０は、燃料電池２０の上流側に、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサー３２と、エアフロメーター３３と、開閉弁３４と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池２０のカソード側の入口に接続されている。エアコンプレッサー３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池２０に接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池２０に供給する。

エアフロメーター３３は、エアコンプレッサー３２の上流側において、エアコンプレッサー３２が取り込む外気の量を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、この計測値に基づいてエアコンプレッサー３２を駆動することにより、燃料電池２０に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアコンプレッサー３２と燃料電池２０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサー３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードガス給排部３０は、燃料電池２０の下流側に、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４と、を備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池２０のカソード側の出口に接続されており、カソード排ガスおよび排水を燃料電池システム１００の外部へと排出可能である。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池２０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。

アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０にアノードガスを供給する機能を有する。また、アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０のアノードから排出されるアノード排ガスおよび排水を燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。アノードガス給排循環部５０は、本発明における排ガス処理部の下位概念に相当する。以下では、アノードガス給排循環部５０においてアノード排ガスが流入し、アノード排ガスの流路を構成する各構成部を「排ガス流路構成部」とも呼ぶ。具体的に、アノードガス給排循環部５０における排ガス流路構成部には、以下に説明するアノードガス給排循環部５０の各配管５１，６１，６３や気液分離部６２、水素ポンプ６４等が含まれる。なお、アノードガス給排循環部５０には、ガス流路構成部として、以下に説明するものの他に、アノード排ガスが流入するフィルター部やバルブなどが設けられていても良い。

アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０の上流側に、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６と、を備える。水素タンク５２には、燃料電池２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池２０のアノード側の入口に接続されている。

アノードガス配管５１には、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。制御部１０は、開閉弁５３の開閉を制御することによって、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレーター５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部１０によって制御されている。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５の開閉タイミングを表す駆動周期を制御することによって、燃料電池２０に供給される水素量を制御する。

アノードガス給排循環部５０は、燃料電池２０の下流側に、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、を備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池２０のアノード側の出口と気液分離部６２とに接続されている。

気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。アノード排ガス配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分はアノードガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水配管６５へと誘導される。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素ポンプ６４が設けられている。水素ポンプ６４は、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素をアノードガス配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。水素ポンプ６４は、エンコーダー６４ｅを備えている。制御部１０は、エンコーダー６４ｅによって駆動中の水素ポンプ６４の回転数の実測値を取得可能である。制御部１０は、水素ポンプ６４の目標回転数と回転数の実測値とに基づいて、水素ポンプ６４の回転数をフィードバック制御する。また、制御部１０のポンプ温度取得部１５は、水素ポンプ６４の回転数の実測値を、ポンプ温度の取得に用いる（後述）。

アノード排水配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。アノード排水配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノード排ガスとを、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合して排出可能なように、カソード排ガス配管４１に合流されている（図示は省略）。

冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエーター７２と、循環ポンプ７５と、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池２０内の冷媒流路の出口とラジエーター７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池２０内の冷媒流路の入口とラジエーター７２の出口とを接続する。

ラジエーター７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。循環ポンプ７５は、下流側配管７１ｂに設けられており、制御部１０の指令に基づき駆動する。冷媒は、循環ポンプ７５の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。

第１温度計測部７６ａは上流側配管７１ａに設けられ、第２温度計測部７６ｂは下流側配管７１ｂに設けられている。制御部１０は、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂによって各配管７１ａ，７１ｂにおける冷媒温度を検出し、各配管７１ａ，７１ｂの冷媒温度の差から燃料電池２０の温度を検出する。制御部１０は、燃料電池２０の温度に基づいて循環ポンプ７５の回転数を制御することによって、燃料電池２０の温度を制御する。２つの温度計測部７６ａ，７６ｂによって取得される燃料電池２０の温度は、制御部１０による排ガス制御や、ポンプ温度取得部１５によるポンプ温度の取得に用いられる（後述）。２つの温度計測部７６ａ，７６ｂは、本発明における温度検出部の下位概念に相当する。

その他に、燃料電池システム１００は、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える（図示は省略）。二次電池は、燃料電池２０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池２０とともに電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の充放電や燃料電池２０の出力電圧を制御することができる。

［燃料電池システムの起動時の運転制御］
図２は、燃料電池システム１００の起動時における運転制御のフローを示す説明図である。燃料電池システム１００は、運転者によって燃料電池車両のイグニションオンの操作がされたときに起動する。制御部１０は、燃料電池システム１００が起動すると、カソードガス給排部３０とアノードガス給排循環部５０とに燃料電池２０に対する反応ガスの供給を開始させることによって、燃料電池２０に発電を開始させるとともに、以下の運転制御を実行する。

ステップＳ１０では、制御部１０は、冷媒供給部７０の２つの温度計測部７６ａ，７６ｂの計測結果に基づいて燃料電池２０の現在の温度、つまり、燃料電池２０の始動時の温度（始動温度）を取得する。ステップＳ２０では、制御部１０は、ステップＳ１０において取得した燃料電池２０の始動温度が所定の第１閾値温度（例えば、５〜１０℃）より高い場合には、燃料電池２０の暖機は必要ないものとして、そのまま通常の運転制御に移行する。第１閾値温度は、燃料電池２０内の水分が凍結している可能性がある氷点に近い温度として実験的に予め決められた温度であれば良い。

一方、ステップＳ２０において、燃料電池２０の始動温度が所定の第１閾値温度以下である場合には、制御部１０は、燃料電池２０の暖機が必要であるものとして、燃料電池２０の暖機運転を開始する（ステップＳ３０）。燃料電池２０の暖機運転では、制御部１０は、燃料電池２０に対するカソードガスの供給量をアノードガスの供給量に対して低下させる。これによって、燃料電池２０の発電効率が低下して、燃料電池２０の発熱量が増大するため、燃料電池２０の迅速な昇温が可能になる。

暖機運転の際には、制御部１０は、水素ポンプ６４を、後述する排ガス制御において想定される最小回転数よりも小さい回転数で駆動する。このときの回転数は、暖機運転の際に生じるアノード側の水分を水素ポンプ６４よりも下流側に移動させれる程度の回転数であれば良い。これによって、暖機運転中に排水が滞留して凍結してしまうことが抑制される。制御部１０は、燃料電池２０の温度が所定の温度（例えば、４５〜５５℃程度の温度）に到達するまで、ステップＳ３０の暖機運転を継続する。

ステップＳ４０では、制御部１０は、ステップＳ１０において取得した燃料電池２０の始動温度が、第１閾値温度よりも低い所定の第２閾値温度（例えば０〜５℃）以下であるか否かを判定する。第２閾値温度は、暖機運転後にアノードガス給排循環部５０における排ガス流路構成部の温度が氷点以下のままの可能性がある温度として予め実験的に求められた温度であれば良い。ステップＳ４０の判定処理は、ステップＳ３０の暖機運転の前に実行されていても良い。

制御部１０は、燃料電池２０の始動温度が第２閾値温度より高かった場合には、燃料電池２０の暖機運転が終了した後、そのまま通常の運転制御に移行する（ステップＳ４０のＮＯ）。一方、燃料電池２０の温度が第２閾値温度以下であった場合には（ステップＳ４０のＹＥＳ）、制御部１０は、燃料電池２０の暖機運転を継続しつつ、以下に説明する排ガス制御を開始する（ステップＳ５０）。

図３は、排ガス制御のフローを示す説明図である。ステップＳ１１０では、制御部１０は、冷媒供給部７０の２つの温度計測部７６ａ，７６ｂの計測値に基づいて燃料電池２０の始動温度を、アノードガス給排循環部５０における排ガス流路構成部の燃料電池システム１００の始動時における温度を表す温度として取得する。制御部１０は、ステップＳ１０（図２）において取得した燃料電池２０の始動温度をそのまま用いても良い。ステップＳ１１０は、本発明における温度取得工程の下位概念に相当する。ステップＳ１２０では、制御部１０は、予め準備されたマップを参照して、ステップＳ１１０で取得した燃料電池２０の始動温度に基づいて水素ポンプ６４の目標回転数を決定する。

図４は、ステップＳ１２０において水素ポンプ６４の回転数を決定するために用いられるマップの一例を示す説明図である。このマップ１６（以下、「ポンプ回転数マップ１６」と呼ぶ。）には、燃料電池２０の始動温度が高いほど水素ポンプ６４の目標回転数が階段状に高くなる関係が設定されている。ポンプ回転数マップ１６において、燃料電池２０の始動温度に対する水素ポンプ６４の目標回転数は以下のように決められた値である。

図５の上段には、氷点下において燃料電池システム１００を起動させ、燃料電池２０に暖機運転させたときの燃料電池２０の温度と水素ポンプ６４の温度の時間変化を示すグラフが例示されている。実線グラフＧ_ＦＣが燃料電池２０の温度の時間変化を示し、破線グラフＧ_ＨＰが水素ポンプ６４の温度の時間変化を示している。

氷点下でしばらく放置されていた燃料電池システム１００の起動時（時刻ｔｓ）には、燃料電池２０の温度と水素ポンプ６４の温度とはほぼ同じであり、水素ポンプ６４は凍結している可能性がある。燃料電池２０の暖機運転が開始されると、凍結している水素ポンプ６４は、燃料電池２０から排出されるアノード排ガスに含まれる水蒸気からの受熱によって昇温し、解凍される。ただし、水素ポンプ６４は燃料電池２０よりも遅れて昇温し、暖機運転によって燃料電池２０の温度が約５０℃程度であるときにようやく氷点を超える。

水素ポンプ６４の内部温度が氷点以下のときに、水素ポンプ６４に多量の水蒸気が流入してしまうと、水素ポンプ６４内において水蒸気が凝縮して凍結し、水素ポンプ６４のローターの固着が生じてしまう可能性がある。また、水素ポンプ６４以外の排ガス流路構成部においても水蒸気の凍結によって、フィルターの目詰まりやバルブの固着、排ガス流路の閉塞などが生じてしまう可能性がある。アノード排ガスに含まれる水蒸気量は、燃料電池２０の温度に対する飽和水蒸気量によって決まり、アノード排ガスの流量は水素ポンプ６４の回転数によって決まる。つまり、水素ポンプ６４に流入する水蒸気量は、燃料電池２０の温度と、水素ポンプ６４の回転数と、によって決まる。

本実施形態のポンプ回転数マップ１６（図４）では、燃料電池２０の始動温度に対して、水素ポンプ６４内において水蒸気の凍結が生じることなく、水素ポンプ６４の昇温が可能な水蒸気の流入量が得られる水素ポンプ６４の回転数の許容値が設定されている。従って、ポンプ回転数マップ１６に基づいて得られた目標回転数で水素ポンプ６４を駆動すれば、水素ポンプ６４の解凍に必要な熱量がアノード排ガスに含まれる水蒸気から得られるとともに、当該水蒸気の水素ポンプ６４内での凍結が抑制される。

ステップＳ１３０（図３）では、制御部１０は、ポンプ回転数マップ１６によって燃料電池２０の始動温度Ｔ_ＦＣに対して決定された水素ポンプ６４の目標回転数ＰＲでの水素ポンプ６４の駆動を開始する。目標回転数ＰＲは、通常の運転制御における水素ポンプ６４の回転数より低い値である。従って、目標回転数ＰＲで水素ポンプ６４が駆動されている間は、燃料電池２０から水素ポンプ６４を含むアノードガス給排循環部５０における排ガス流路構成部に流入するアノード排ガスの流量が制限されていると解釈できる。すなわち、ステップＳ１２０，Ｓ１３０の工程は、本発明における排ガス制御工程の下位概念に相当し、本実施形態の排ガス制御は、本発明における排ガス制御工程および流量制限制御の下位概念に相当する。

ステップＳ１４０では、ポンプ温度取得部１５が、現在の燃料電池２０の温度と、現在の水素ポンプ６４の回転数の実測値と、に基づいて、現在の水素ポンプ６４の温度の推定値であるポンプ温度をポンプ温度取得処理（後述）によって算出する。制御部１０は、ポンプ温度取得部１５によって得られるポンプ温度が氷点より高くなるまで、目標回転数ＰＲでの水素ポンプ６４の駆動を継続する（ステップＳ１５０のＮＯ）。目標回転数ＰＲでの水素ポンプ６４の駆動を継続されている間は、ステップＳ１４０のポンプ温度取得部１５によるポンプ温度取得処理が所定の制御周期で繰り返され、ポンプ温度が逐次的に更新される。

制御部１０は、ポンプ温度が氷点より高くなった場合には（ステップＳ１５０のＹＥＳ）、水素ポンプ６４の目標回転数ＰＲでの駆動を終了する（ステップＳ１６０）。すなわち、制御部１０は、水素ポンプ６４の回転数の制限を解除し、水素ポンプ６４の回転数を通常の運転制御における回転数に戻す。ステップＳ１６０が本発明における制限解除工程の下位概念に相当する。

図５の下段には、低温環境下での燃料電池システム１００の起動時における水素ポンプ６４の回転数の時間変化を示すグラフの一例が図示されている。図５の下段のグラフの時間軸は、上述した上段のグラフの時間軸と対応している。時刻ｔｓにおいて燃料電池システム１００が起動され、暖機運転が開始された場合には、制御部１０は、水素ポンプ６４を、排ガス制御の実行中や通常の運転時よりも低い回転数Ｒａで駆動する。時刻ｔａにおいて、燃料電池２０の温度が暖機運転の終了閾値Ｔｈｗに到達し、排ガス制御に移行した場合には、制御部１０は、水素ポンプ６４を通常の運転時よりも低い回転数Ｒｂで駆動する。時刻ｔｂにおいて水素ポンプ６４の温度が氷点を突破し、排ガス制御を終了して通常の運転制御に移行した後には、制御部１０は、水素ポンプ６４を所定の回転数Ｒｃで駆動する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、水素ポンプ６４の温度が氷点を超えるまで、水素ポンプ６４の回転数が制限され、水素ポンプ６４や他の排ガス流路構成部への水蒸気の流入量が制限される。従って、水蒸気の凍結による水素ポンプ６４の固着をはじめ、排ガス流路構成部における排ガス流路の閉塞などの水蒸気の凍結に起因する不具合の発生が抑制される。また、水素ポンプ６４の温度が氷点を超えた場合には、すぐに水素ポンプ６４の回転数の制限が解除されるため、水素ポンプ６４の回転数が制限されていることによるシステム効率の低下が抑制される。

図６は、ポンプ温度取得部１５が実行するポンプ温度取得処理のフローを示す説明図である。上述したように、ポンプ温度取得処理は、水素ポンプ６４の回転数が制限されている間に所定の制御周期で繰り返される。ポンプ温度取得処理は、本発明における流路構成部温度取得工程の下位概念に相当し、ポンプ温度取得部１５は、本発明における流路構成部温度取得部の下位概念に相当する。

ステップＳ２１０では、ポンプ温度取得部１５は記憶部（図示は省略）に格納した前回値ＴＰｐを読み込み、取得する。ポンプ温度取得処理の実行が初回である場合には、ポンプ温度取得部１５は、前回値ＴＰｐの初期値として、図３のステップＳ１１０で取得した燃料電池２０の温度を読み込む。前回値ＴＰｐの初期値としては、低温環境下で放置されているときの燃料電池２０の温度変化と水素ポンプ６４の温度変化との対応関係を実験等によって予め得ておき、その対応関係に基づいて得られる値が用いられても良い。

ステップＳ２２０では、ポンプ温度取得部１５は、冷媒供給部７０の２つの温度計測部７６ａ，７６ｂの計測値に基づいて、現在の燃料電池２０の温度Ｔ_Ｃを取得する。ステップＳ２３０では、ポンプ温度取得部１５は、水素ポンプ６４のエンコーダー６４ｅによって、現在の水素ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｃを取得する。

ステップＳ２４０では、ポンプ温度取得部１５は、予め準備されているマップを用いて、現在の燃料電池２０の温度Ｔ_Ｃと、現在の水素ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｃと、に基づいて、水素ポンプ６４の昇温速度Ｖ_ＴＰを取得する。「水素ポンプ６４の昇温速度」とは、単位時間あたりの水素ポンプ６４の昇温量である。

図７は、ステップＳ２４０において水素ポンプ６４の昇温速度Ｖ_ＴＰの取得に用いられるマップの一例を概念的に示す説明図である。このマップ１８（以下、「昇温速度マップ１８」と呼ぶ。）は、水素ポンプ６４の回転数ごとに、燃料電池２０の温度が高いほど水素ポンプ６４の昇温速度が高くなる関係が設定されている。

本実施形態では、昇温速度マップ１８における水素ポンプ６４の昇温速度は、水素ポンプ６４の回転数によって決まるアノード排ガスの流量と、飽和水蒸気量の水蒸気を含むアノード排ガスからの水素ポンプ６４の受熱量と、に基づいて算出される値である。制御部１０は、現在の水素ポンプ６４の回転数Ｒ_Ｃに対応する燃料電池２０の温度と水素ポンプ６４の昇温速度との関係に基づいて、現在の燃料電池２０の温度Ｔ_Ｃに対する水素ポンプ６４の昇温速度Ｖ_ＴＰを取得する。

ステップＳ２５０では、ポンプ温度取得部１５は、水素ポンプ６４の昇温速度Ｖ_ＴＰに制御周期に相当する微小時間Δｔを乗算し、前回値ＴＰｐを加算することによって、ポンプ温度の今回値ＴＰｃを算出する（下記（Ａ）式）。
ＴＰｃ＝ＴＰｐ＋Ｖ_ＴＰ×Δｔ …（Ａ）

ステップＳ２６０では、ポンプ温度取得部１５は、今回値ＴＰｃを記憶部に格納する。ポンプ温度取得部１５は、記憶部に格納された今回値ＴＰｃを、次の周期のポンプ温度取得処理のステップＳ２１０において前回値ＴＰｐとして読み込む。

本実施形態のポンプ取得処理によれば、燃料電池２０の温度と水素ポンプ６４の回転数とに基づいて、現在の水素ポンプ６４の温度を表すポンプ温度が、簡易な計算によって、精度良く算出される。従って、水素ポンプ６４の温度を直接的に測定するための温度センサーや測定工程を省略することができ、効率的である。

［まとめ］
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、低温環境下での起動時に、水素ポンプ６４を含むアノードガス給排循環部５０における排ガス流路構成部に対する過剰な水蒸気の流入が抑制される。従って、排ガス流路構成部における水蒸気の凍結に起因する不具合の発生が抑制される。また、水素ポンプ６４をはじめとする排ガス流路構成部の解凍が可能な程度の水蒸気の流入量が確保されるため、水素ポンプ６４の起動性が確保されるとともにアノードガス給排循環部５０の起動性が確保される。従って、低温環境下における燃料電池システム１００の起動性の低下が抑制される。

B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、ポンプ回転数マップ１６に基づいて、燃料電池２０の温度に対する水素ポンプ６４の目標回転数を決定している。これに対して、水素ポンプ６４の目標回転数は、ポンプ回転数マップ１６に基づいて決定されなくても良い。水素ポンプ６４の目標回転数は、アノードガス給排循環部５０における排ガス流路構成部に流入する排ガスの流量が、通常の運転時よりも制限されるように設定されれば良い。水素ポンプ６４の目標回転数は、燃料電池２０の温度に応じて設定されなくても良く、燃料電池２０の温度にかかわらず、通常の運転制御のとときよりも低い所定の回転数に設定されても良い。また、ポンプ回転数マップ１６には、図４のように、燃料電池２０の温度が大きいほど、水素ポンプ６４の目標回転数が階段状に増加する関係が設定されていなくても良く、燃料電池２０の温度に対して水素ポンプ６４の目標回転数が直線状や曲線状に変化する関係が設定されていても良い。

B2．変形例２：
上記実施形態の排ガス制御では、アノードガス給排循環部５０における排ガス流路構成部に対するアノード排ガスの流入量が制限されている。これに対して、排ガス制御では、カソードガス給排部３０におけるカソード排ガスの流路を構成する排ガス流路構成部に対して、カソード排ガスの流入量が制限されても良い。

B3．変形例３：
上記実施形態の排ガス制御では、水素ポンプ６４の回転数によって排ガス流路構成部に流入するアノード排ガスの流量が調整されている。これに対して、排ガス流路構成部に流入するアノード排ガスの流量は、水素ポンプ６４の回転数によって調整されていなくても良い。排ガス流路構成部に流入するアノード排ガスの流量は、調圧弁などのバルブによって調整されても良いし、アノード排ガスの一部を他に分岐させることによって調整されても良い。また、排ガス制御では、燃料電池２０の温度の上昇を制限することによって、排ガス流路構成部にアノード排ガスとともに流入する水蒸気量が制限されても良い。具体的には、冷媒供給部７０の冷媒流路に設けられているロータリーバルブなどのバルブの開度を制御して、燃料電池２０の運転温度を通常の運転温度よりも低い値に制限する。例えば、通常の運転温度が８０℃程度である場合には、その８〜９割程度の温度、つまり、６０〜７０℃程度の制限する。これによって、排ガスの温度が低下し、排ガスの水蒸気分圧を低下させることができる。従って、排ガス流路構成部に流入する水蒸気量を制限でき、上記の各実施形態で説明した排ガス制御と同様に、水蒸気による排ガス流路構成部の凍結を抑制することができる。この燃料電池２０の運転温度を制限する処理は、上記実施形態の排ガス制御において、水素ポンプ６４の回転数を制限する処理に組み合わせて実行することも可能出ある。これによって、排ガス流路構成部の凍結がより効果的に抑制される。

B4．変形例４：
上記実施形態では、逐次的に実行されるポンプ温度取得処理によって、水素ポンプ６４の温度を表すポンプ温度が取得されている。これに対して、水素ポンプ６４の温度を表すポンプ温度は、水素ポンプ６４の温度を温度センサーなどによって直接的に計測することによって取得されても良い。あるいは、ポンプ温度は、予め準備された燃料電池２０の温度とポンプ温度との関係に基づくマップを用いて、ポンプ温度取得処理が実行される度に、新たに取得されても良い。

B5．変形例５：
上記実施形態では、燃料電池２０の温度が第２閾値温度以下であるときに、排ガス制御が実行されている（図２のステップＳ４０）。これに対して、燃料電池２０の温度が第２閾値温度以下でないときであっても排ガス制御の実行が開始されても良い。

B6．変形例６：
上記実施形態では、ポンプ温度が氷点を突破したときに、水素ポンプ６４の回転数の制限が解除されている。これに対して、ポンプ温度が他の温度に到達したときに、水素ポンプ６４の回転数の制限が解除されても良い。制御部１０は、ポンプ温度に拘わらず、例えば、所定の時間が経過したときに、水素ポンプ６４の回転数の制限を解除しても良い。

B7．変形例７：
上記実施形態では、燃料電池２０の暖機運転が実行されているときに、平行して排ガス制御が実行されている。これに対して、燃料電池２０の暖機運転は省略されても良く、低温環境下では、排ガス制御のみが実行されても良い。

B8．変形例８：
上記実施形態の排ガス制御は、燃料電池システム１００において、アノード排ガスを循環・排出する処理を行うアノードガス給排循環部５０を制御対象として実行されている。これに対して、排ガス制御は、燃料電池２０の排ガスに対して循環・排出以外の処理を行う排ガス処理部を制御対象として実行されても良い。排ガス制御は、例えば、燃料電池２０の排ガスから水素を分離する処理を実行する排ガス処理部に対して実行されても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…制御部
１５…ポンプ温度取得部
１６…ポンプ回転数マップ
１８…昇温速度マップ
２０…燃料電池
３０…カソードガス給排部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサー
３３…エアフロメーター
３４…開閉弁
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス給排循環部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレーター
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素ポンプ
６４ｅ…エンコーダー
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
７０…冷媒供給部
７１（７１ａ，７１ｂ）…冷媒用配管
７２…ラジエーター
７５…循環ポンプ
７６ａ，７６ｂ…温度計測部

Claims (12)

1. 燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池の起動時に、前記燃料電池の温度を取得する温度取得工程と、
   前記燃料電池の温度が所定の値より低い場合に、前記燃料電池の排ガスの流路の少なくとも一部を構成する流路構成部に流入する前記排ガスの流量を制限する排ガス制御工程と、
   を備える、制御方法。
2. 請求項１記載の制御方法であって、
   前記排ガス制御工程は、前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料電池の温度が低いほど前記排ガスの流量を小さく設定する工程を含む、制御方法。
3. 請求項２記載の制御方法であって、
   前記排ガス制御工程は、予め準備された前記燃料電池の温度と前記排ガスの流量の許容値との関係に基づいて、前記燃料電池の温度に対する前記許容値を取得し、前記排ガスの流量を前記許容値に設定する工程を含み、
   前記許容値は、前記燃料電池の温度において前記排ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決められた値である、制御方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の制御方法であって、さらに、
   前記流路構成部の温度を表す値を取得する流路構成部温度取得工程と、
   前記流路構成部の温度を表す値が所定の値より大きくなったときに前記排ガスの流量の制限を解除する制限解除工程と、
   を備える、制御方法。
5. 請求項４記載の制御方法であって、
   前記流路構成部温度取得工程は、前記排ガスの流量と、前記燃料電池の温度と、に基づいて、前記流路構成部の温度を表す値を取得する工程である、制御方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の制御方法であって、
   前記流路構成部は、前記燃料電池に前記排ガスを循環させる循環ポンプを含み、
   前記排ガス制御工程は、前記循環ポンプの回転数によって前記排ガスの流量を制御する工程を含む、制御方法。
7. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、
   前記燃料電池の排ガスの流路の少なくとも一部を構成する流路構成部を有し、前記排ガスを処理する排ガス処理部と、
   前記排ガス処理部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池の温度が所定の値より低い場合に、前記流路構成部に流入する前記排ガスの流量を制限する流量制限制御を実行する、燃料電池システム。
8. 請求項７記載の燃料電池システムであって、
   前記流量制限制御は、前記燃料電池の温度が所定の値より低い場合に、前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料電池の温度が低いほど前記排ガスの流量を小さく設定する制御である、燃料電池システム。
9. 請求項８記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記流量制限制御において、予め準備された前記燃料電池の温度と前記排ガスの流量の許容値との関係に基づいて、前記燃料電池の温度に対する前記許容値を取得し、前記排ガスの流量を前記許容値に設定し、
   前記許容値は、前記燃料電池の温度における前記排ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決められた値である、燃料電池システム。
10. 請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記流路構成部の温度を表す値を取得する流路構成部温度取得部を備え、
    前記制御部は、前記流路構成部の温度を表す値が所定の値より大きくなったときに前記排ガスの流量の制限を解除する、燃料電池システム。
11. 請求項１０記載の燃料電池システムであって、
    前記流路構成部温度取得部は、前記排ガスの流量と、前記燃料電池の温度と、に基づいて、前記流路構成部の温度を表す値を取得する、燃料電池システム。
12. 請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記排ガス処理部は、前記流路構成部として循環ポンプを備え、前記循環ポンプによって、前記排ガスを前記燃料電池に循環させ、
    前記制御部は、前記循環ポンプの回転数によって前記排ガスの流量を制御する、燃料電池システム。

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