JP5113634B2

JP5113634B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5113634B2
Application number: JP2008149694A
Authority: JP
Inventors: 健一郎上田; 順司上原; 裕嗣松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: JP2009295505A

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで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。

従来、この種の燃料電池では、長時間発電が停止すると、カソード極に供給された空気に含まれる窒素が固体高分子電解質膜を透過してアノード極に混入する。このような窒素が、燃料電池の起動時にアノード極に存在していると、電圧が上昇し難くなるので、安定した起動が得られなくなる。
そこで、燃料電池の起動時には、アノード極内に残留している窒素などの不純物を排出させる処理が行われている。例えば、特許文献１では、燃料電池の起動時に、アノード極の出口側に設けられたパージ弁を開弁して水素置換を行い、電圧を所定値まで上昇させてから発電を開始させることが行われている。

特開平１１−９７０４７号公報

ところで、アノード系内が完全に水素に置換されていない状況において、燃料電池から外部負荷に向けて発電電流を高く引いてしまうと、燃料電池に負担がかかって、燃料電池が劣化するおそれ、例えば、燃料電池のアノード極やカソード極の電極（触媒等）が劣化（腐食）するおそれがあることが分かってきた。

そこで、本発明は、このような新規な課題を解決するためになされたものであり、アノード系内が完全に水素に置換されるまでの間の発電で、燃料電池が劣化するのを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路内を前記燃料ガスで置換する置換手段と、前記置換手段によりガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動手段と、前記燃料電池内の前記燃料ガスの濃度を求める濃度特定手段と、前記燃料電池内の温度を検出する温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの制御を行う制御手段をさらに有し、前記制御手段は、前記燃料電池起動手段により前記燃料電池の発電が開始された後に、前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池内の温度が、暖機が完了した暖機完了温度に到達しているか否かを判定し、暖機完了温度に到達している場合には、前記燃料電池の暖機が完了していると判断し、暖機完了温度に到達していない場合には、特定された前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達しているか否かを判定し、前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達している場合には、前記燃料電池の定格発電を許可し、到達していない場合には、前記燃料電池の発電電流を制限し、発電電流を制限する制御時に、特定された前記濃度値が低いほど発電電流の電流値が小さくなるように制御し、検出された前記燃料電池内の温度が高いほど発電電流の電流値が小さくなるように制御することを特徴とする。

この燃料電池システムによれば、燃料電池の暖機が完了していない場合、つまり、燃料電池の発電安定性が確保されていないときに、燃料ガスの濃度値を検出して、その濃度値が所定値に到達していない低い濃度値である場合には、燃料電池の発電を制限するので、燃料ガスの濃度と温度に見合った電流値で発電することができる。これにより、燃料電池の負担を軽減することができ、燃料電池の劣化を好適に抑制することができるようになる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路内を前記燃料ガスで置換する置換手段と、前記置換手段によりガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動手段と、前記燃料電池内の前記燃料ガスの濃度を求める濃度特定手段と、前記燃料電池内の温度を検出する温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの制御を行う制御手段をさらに有し、前記制御手段は、前記燃料電池起動手段により前記燃料電池の発電が開始された後に、前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池内の温度が、暖機が完了した暖機完了温度に到達しているか否かを判定し、暖機完了温度に到達している場合には、前記燃料電池の暖機が完了していると判断し、暖機完了温度に到達していない場合には、特定された前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達しているか否かを判定し、前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達している場合には、前記燃料電池の定格発電を許可し、到達していない場合には、前記燃料電池の発電電流を制限し、発電電流を制限する制御時に、前記燃料電池内を通流する冷媒の通流量を増大させるように制御することを特徴とする。

この燃料電池システムによれば、燃料電池の暖機が完了していない場合、つまり、燃料電池の発電安定性が確保されていないときに、燃料ガスの濃度値を検出して、その濃度値が所定値に到達していない低い濃度値である場合には、燃料電池内を通流する冷媒の通流量を増大させるように制御するので、燃料電池内の反応性を低下させることができる。これにより、燃料電池の負担を軽減することができ、燃料電池の劣化を好適に抑制することができるようになる。

また、前記制御手段は、発電電流を制限する制御時に、前記燃料電池内を通流する冷媒の通流量を増大させるように制御する構成とするのがよい。

この燃料電池システムによれば、燃料電池内を通流する冷媒の通流量を増大させ、燃料電池内の反応性を低下させるので、燃料電池の負担を軽減することができ、燃料電池の劣化を好適に抑制することができるようになる。

また、前記制御手段は、前記濃度値が所定値になったときに、検出された前記燃料電池内の温度が暖機完了温度に到達するまで、前記冷媒の通流量を減少させるように制限する構成とするのがよい。

この燃料電池システムによれば、濃度値が所定値になったときに、冷媒の通流量が減少されることで、暖機が促進されるようになり、燃料電池が劣化するのを抑制しつつ、好適な発電を行うことができる。

また、前記制御手段は、検出された前記燃料電池内の温度が暖機完了温度に到達したときに、前記冷媒の通流量の制限を解除する構成とするのがよい。

この燃料電池システムによれば、燃料電池が劣化するのを抑制しつつ、好適な発電を行うことができる。

また、前記燃料電池から排出される燃料ガスをパージするパージ手段を備え、前記制御手段は、発電電流を制限する制御時に、前記パージ手段によって排出される燃料ガスの量を増大させるように制御する構成とするのがよい。

この燃料電池システムによれば、制御手段は、パージ手段で排出される燃料ガスの量を増大させるように制御するので、燃料電池内が燃料ガスで好適に置換されるようになり、燃料電池の負担が軽減されて、燃料電池の劣化を一層好適に抑制することができる。また、起動時間の短縮を図ることもできる。

また、前記制御手段は、前記濃度値が所定値になったときに発電電流の制限を解除することを特徴とする。

この燃料電池システムによれば、濃度値が所定値になったときに発電電流の制限が解除され、燃料電池から外部負荷に向けて定格で発電電流が引かれるようになる。これにより、燃料電池が劣化するのを抑制しつつ、好適な発電を行うことができる。
また、前記燃料電池内を通流する冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備え、前記温度検出手段は、前記冷媒温度検出手段によって検出された前記冷媒の温度を前記燃料電池内の温度とする構成とするのがよい。
また、前記燃料電池から排出される燃料ガスをパージするパージ手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の定格発電を許可する制御時に、前記パージ手段によって排出される燃料ガスの量を、前記燃料電池の発電電流を制限する制御時よりも少ない通常量としてパージを行った上で前記冷媒の通流量を減少させるように制御する構成とするのがよい。
また、前記濃度特定手段は、前記燃料電池が停止してからの経過時間および前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒の温度に基づいて前記燃料電池の起動時の水素濃度を求める起動時水素濃度算出手段を備え、前記起動時水素濃度算出手段により求められた水素濃度は、経過時間が長く冷媒の温度が高いほど水素濃度が低くなる構成とするのがよい。

本発明によれば、アノード系内が完全に水素に置換されるまでの間の発電で、燃料電池が劣化するのを抑制することができる燃料電池システムが得られる。

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酸素を含む空気（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の発電電力を消費する電力消費系と、ラジエータ液（熱交換流体）を流通させる冷媒循環系と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。

＜燃料電池＞
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１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を備えている。

ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノードおよびカソードとを備えている。アノードおよびカソードは、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ともに、アノードおよ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。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がアノード流路１２（燃料ガス通流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔および溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、このようなアノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、後記式（１）の電極反応が起こり、また、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、後記式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１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。そして、燃料電池スタック２と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続されて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。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

また、燃料電池スタック１０は、暖機移行水素濃度（例えば、水素置換後の水素濃度が９５％）、暖機完了温度（例えば、６０℃以上）を固有している。暖機移行水素濃度とは、燃料電池スタック１０の水素置換がほぼ完了されたとされる濃度であり、燃料電池スタック１０の金属材料（セパレータや触媒等）を保護することができて、燃料電池スタック１０の劣化を抑制することが可能な濃度である。暖機完了温度とは、燃料電池スタック１０の暖機が完了したとされる温度であり、この温度では、アノード及びカソードに含まれる触媒の活性が良好に高くなるため、前記電気化学反応が速やかに進むようになっている。なお、暖機完了温度の設定は、燃料電池スタック１０の仕様、例えば、電解質膜の耐熱温度等に依存するが良好に活性化する。

＜アノード系＞
アノード系は、水素が高圧で貯蔵された水素タンク２１と、常閉型の遮断弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁２４とを主に備えている。

水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａを順に介して、アノード流路１２の入口に接続されている。配管２１ａには水素を所定圧力に減圧する減圧弁（不図示）が設けられている。この減圧弁には、カソード流路１３に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力されており、減圧弁は、前記空気の圧力とアノード流路１２における水素の圧力とが対応して変動するように制御するようになっている。遮断弁２２は、ＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０に制御される。
そして、燃料電池自動車のＩＧ（イグニッション）６０ａがオンされ、燃料電池スタック１０の起動が要求されて、ＥＣＵ６０により遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１２に供給されるようになっている。

アノード流路１２の出口は、配管２３ｂを介してエゼクタ２３の吸込口に接続されている。そして、エゼクタ２３に戻されたアノードオフガスは、水素タンク２１からの水素と混合された後、アノード流路１２に再供給されるようになっている。つまり、本実施形態では、配管２３ｂによって、水素を循環させて再利用する水素の循環路が構成されている。

［パージ弁］
パージ弁（パージ手段）２４は、常閉型の電磁弁であり、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２３ｂを循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合に、ＥＣＵ６０によって開かれるとともに、後記するように、ＯＣＶチェック（ＯＣＶパージ：置換手段）においてアノード流路１２内をガス置換（水素濃度を高める置換）する場合に、ＥＣＵ６０によって適宜に開かれるようになっている。パージ弁２４を通じて排出されたアノードオフガスは、配管２４ｂを介して希釈器３２に送られ、希釈器３２で希釈された後、外部に排出されるようになっている。

アノード流路１２内のガス置換について、さらに説明すると、遮断弁２２が開いた状態で、ＥＣＵ６０によってパージ弁２４が適宜に開かれると、アノード流路１２内の水素が排出されるとともに、水素タンク２１から高濃度の水素がアノード流路１２に流れ込むようになり、アノード流路１２内の水素濃度が高まる。つまり、燃料電池スタック１０内が、良好な発電が可能となる水素濃度、詳細には、アノードの触媒上で良好に電極反応が進む水素濃度となるように置換される。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３０（スーパーチャージャ）と、背圧弁３１と、希釈器３２とを主に備えている。
コンプレッサ３０は、配管３０ａを介してカソード流路１３の入口に接続されており、ＥＣＵ６０から送られる指令回転速度にしたがって作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。なお、コンプレッサ３０の回転速度は、通常、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きくなると、空気を大流量・高圧で供給すべく、高められる設定となっている。

配管３０ａには、カソード流路１３に向かう空気を加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させるようになっている。

カソード流路１３の出口は、配管３１ａ、背圧弁３１、配管３１ｂを介して、希釈器３２に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３１ａ等を介して希釈器３２に排出され、希釈器３２は、カソードオフガスによって、配管２４ｂから導入されるアノードオフガス中の水素を希釈した後、車外に排出するようになっている。

背圧弁３１は、バタフライ弁等から構成された常閉型の弁であり、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。詳細には、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、ＥＣＵ６０は、空気を高圧で供給すべく、背圧弁３１の開度を小さく制御するようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ５１と、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）５２、バッテリ（充放電装置）５３と、コンタクタ５４と、電流センサ５５とを備えている。
走行モータ５１は、ＶＣＵ５２、コンタクタ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。バッテリ５３はＶＣＵ５２に接続されている。なお、走行モータ５１とＶＣＵ５２との間に配置されているインバータ（ＰＤＵ：Power Drive Unit）は省略している。

走行モータ５１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ５２は、ＥＣＵ６０（後記する発電電流制御手段６７（図２参照））からの指令に従って燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御（制限）する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。すなわち、ＶＣＵ５２への指令電流が大きくなると、燃料電池スタック１０から取り出される電流が大きくなり（電流取り出しの制限が緩和され）、燃料電池スタック１０で消費される水素および空気の消費量が多くなる。また、後記する発電電流制御手段６７により、発電電流の上限値が設定されると、ＶＣＵ５２は、燃料電池スタック１０の出力電流が、その設定された発電電流の上限値を超えないように制御する。

また、ＶＣＵ５２は、ＥＣＵ６０からの指令に従ってバッテリ５３の電力を制御、つまり、バッテリ５３の充電／放電を制御する電子回路も備えている。
バッテリ５３は、例えば、複数のリチウムイオン型の二次電池を備えて構成されている。

コンタクタ５４は、燃料電池スタック１０とＶＣＵ５２との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。また、コンタクタ５４はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０によってＯＦＦされると、燃料電池スタック１０から電流の取り出しは不能となり、燃料電池スタック１０が発電しない設定となっている。これに対し、ＥＣＵ６０によりコンタクタ５４がＯＮされると、燃料電池スタック１０から電流の取り出しは可能、つまり、燃料電池スタック１０が発電可能となる。つまり、コンタクタ５４のＯＮ状態で、ＶＣＵ５２が適宜に制御されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

電流センサ５５は、燃料電池スタック１０が発電しているときの電流値を検出するようになっている。電流センサ５５で検出された電流値は、ＥＣＵ６０に出力され、後記するＥＣＵ６０による燃料電池スタック１０の運転制御に供される。

＜冷媒循環系＞
以下の冷媒循環系の説明において、「上流」、「下流」というときは、冷媒の流れる方向を基準としている。
冷媒循環系は、冷媒ポンプ４０と、流量調整弁４１と、ラジエータ４２と、電磁式の切替弁４３とを有している。つまり、冷媒ポンプ４０の下流側には、配管４０ａ、流量調整弁４１、配管４１ａを介して燃料電池スタック１０が接続され、燃料電池スタック１０の下流側には、配管４１ｂを通じてラジエータ４２が接続され、ラジエータ４２の下流側には、配管４２ａを通じて切替弁４３が接続され、さらに、切替弁４３の下流側には、配管４３ａを通じて冷媒ポンプ４０が接続されている。また、燃料電池スタック１０の下流側の配管４１ｂには、温度検出手段（冷媒温度検出手段）としての冷媒温度センサ４４が設けられている。

冷媒ポンプ４０は、冷媒を図１中の右回り方向に、つまり、配管４０ａを通じて燃料電池スタック１０の冷媒通路１４に、冷却水を圧送するものであり、ＥＣＵ６０の指令によって駆動する。

流量調整弁４１は、弁体としてバタフライバルブ（図示しない）を有しており、このバタフライバルブの開度調整によって冷媒の流量を制御するようになっている。開度調整は、ＥＣＵ６０の指令によって行われ、これによって、燃料電池スタック１０に送られる冷媒の流量が制御される。

ラジエータ４２は、配管４１ｂを通じて通流する冷媒を介して外気と熱交換し、燃料電池スタック１０の放熱を行うものである。

切替弁４３は、冷媒の流れる方向を切替制御する弁であり、ラジエータ４２を冷媒が通流するように、また、ラジエータ４２を冷媒がバイパスして通流するように切り替える弁である。つまり、切替弁４３は、燃料電池スタック１０の下流側の配管４１ｂから配管４１ｃを通じて、冷媒ポンプ４０に冷媒が通流するように切り替えるバイパスモードと、燃料電池スタック１０の下流側の配管４１ｂからラジエータ４２、配管４２ａを通じて冷媒ポンプ４０に冷媒が通流するように切り替えるラジエータ通流モードとを有している。これらのモードの切り替えは、ＥＣＵ６０の後記する冷媒流量調整手段６９（図２参照）の制御によって行われる。
本実施形態では、後記するＯＣＶパージ後に、燃料電池スタック１０内が完全に水素に置換されていない状態で、水素濃度が所定値より低いときに、ラジエータ通流モードが選択され、また、水素濃度が所定値となったときに、バイパスモードが選択されるようになっている。制御の詳細は後記する。

冷媒温度センサ４４は、燃料電池スタック１０の出口側における冷媒の温度を検出するセンサであり、検出された温度値は、ＥＣＵ６０に取得される。本実施形態では、この冷媒温度センサ４４で検出された温度値を、燃料電池スタック１０内の温度値として後記する制御手段６１（図２参照）の制御に利用している。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０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、電子回路等を含んで構成されている。そして、ＥＣＵ６０は、その内部に記憶されたプログラムに従って各種機器を適宜に制御するようになっている。

そして、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０の起動後、前記したＯＣＶパージによる水素置換後において、アノード系内が完全に水素に置換されるまでの間の発電を制御するための、制御手段６１（図２参照）を備えている。
図２に示すように、制御手段６１は、水素濃度を算出することで特定する水素濃度算出手段６１Ａ（濃度特定手段）と、水素濃度算出手段６１Ａにより算出された水素濃度に基づいて燃料電池スタック１０の運転を制御する運転制御手段６１Ｂとを備えている。

水素濃度算出手段６１Ａは、起動時水素濃度算出手段６２と、タイマ６２ｂと、パージ積算量算出手段６３と、水素濃度上昇量算出手段６４と、推定水素濃度算出手段６５とを備えている。

起動時水素濃度算出手段６２は、燃料電池スタック１０が停止してからの経過時間、いわゆるソーク時間と、冷媒の温度とから、燃料電池スタック１０の起動時の水素濃度を算出する。具体的に、ここでは、マップ記憶部６２ａに予め記憶されたマップや関数に基づいて水素濃度を取得する。
マップ記憶部６２ａが記憶しているマップとしては、例えば、図３に示すようなものであり、例えば、ソーク時間と水素濃度との関係を、冷媒の温度を加味した曲線で表される関数に対応させたものを用いることができる。図３では、ソーク時間が短く、冷媒温度が低いほど、水素濃度は高くなる傾向を示しており、ソーク時間が長く、冷媒温度が高いほど、水素濃度は低くなる傾向を示している。起動時水素濃度算出手段６２で算出された水素濃度は、推定水素濃度算出手段６５に出力される。
このような起動時水素濃度算出手段６２による水素濃度の算出は、起動直後、つまり、ＯＣＶパージが行われる前に行われる。

ここで、ソーク時間の計測は、起動時水素濃度算出手段６２に接続されたタイマ６２ｂによって行われる。このタイマ６２ｂは、燃料電池スタック１０の駆動が停止すると、ＥＣＵ６０によりリセットされ、このリセットされた時刻からの経過時間を計測する。

パージ積算量算出手段６３は、燃料電池スタック１０が起動されてからパージに使用された水素の積算量を算出する。具体的には、例えば、遮断弁２２（図１参照）以降の圧力を図示しないセンサで検出し、この圧力値とパージ時間とからパージ積算量を求めることができる。算出されたパージ積算量は、水素濃度上昇量算出手段６４に出力される。

水素濃度上昇量算出手段６４は、入力されたパージ積算量から水素濃度上昇量を算出する。具体的に、ここでは、マップ記憶部６４ａに予め記憶されたマップや関数に基づいて水素濃度上昇量を取得する。
マップ記憶部６４ａが記憶しているマップとしては、例えば、図４に示すような関数を用いることができる。算出された水素濃度上昇量は、推定水素濃度算出手段６５に出力される。

推定水素濃度算出手段６５は、起動時水素濃度算出手段６２で算出された起動時の水素濃度と、水素濃度上昇量算出手段６４で算出された水素濃度上昇量とから、現在推定される水素濃度を算出する。具体的に、起動時の水素濃度に水素濃度上昇量を加算して、現在推定される水素濃度を算出する。算出された水素濃度の値は、運転制御手段６１Ｂの水素濃度判定手段６６に出力される。

運転制御手段６１Ｂの水素濃度判定手段６６は、算出された前記水素濃度の値が、予め設定された所定値よりも大きいか否かを判定する。つまり、ＯＣＶパージによる水素置換後の水素濃度が、所定値よりも大きくなっているか（燃料電池スタック１０に負担のかからない発電が可能な水素濃度となっているか）否かを判定する。

発電電流制御手段６７は、水素濃度判定手段６６による判定に基づいてＶＣＵ５２を制御する。例えば、水素濃度の値（濃度値）が所定値よりも小さいときには、その水素濃度の値と検出された冷媒の温度値とから発電可能な発電電流上限値を算出する。
ここで、発電電流制御手段６７は、特定された水素濃度の値が所定値より低いほど発電電流の電流値が小さくなるように、また、検出された温度値が所定値より高いほど発電電流の電流値が小さくなるように制御するようになっている。具体的に、ここでは、マップ記憶部６７ａに予め記憶されたマップや関数に基づいて発電電流上限値を取得する。
マップ記憶部６７ａが記憶しているマップとしては、例えば、図５に示すようなものであり、例えば、水素濃度と発電電流上限値との関係を、冷媒の温度を加味した直線で表される関数に対応させたものを用いることができる。図５では、水素濃度の値が所定値より低いほど、発電電流上限値は低くなる傾向を示し、発電電流の電流値が小さくなるように制御され、また、検出された温度値が所定値より高いほど、発電電流上限値は低くなる傾向を示し、発電電流の電流値が小さくなるように制御される。算出された発電電流上限値は、ＶＣＵ５２に出力される。
また、前記した水素濃度の値が所定値よりも大きいと水素濃度判定手段６６により判定されたときには、発電電流制御手段６７は、定格発電を許可する信号をＶＣＵ５２に出力する。

パージ制御手段６８は、水素濃度判定手段６６による判定に基づいてパージ弁２４を制御する。例えば、水素濃度の値が所定値よりも小さいときには、パージ量が増大するように、パージ頻度（回数／時間）をそれまでよりも増やす制御を行ったり、１回あたりのパージ時間が長くなるように設定を変更したりする制御を行う。
また、前記した水素濃度の値が所定値よりも大きいと水素濃度判定手段６６により判定されたときには、パージ量が増大する制御を行わず、通常のパージ量となるように制御する。

冷媒流量調整手段６９は、水素濃度判定手段６６による判定に基づいてパージ弁２４を制御する。例えば、水素濃度の値が所定値よりも小さいときには、冷媒の温度を低く維持して燃料電池スタック１０の負担を軽くするために、流量調整弁４１を開方向に制御する。
また、前記した水素濃度の値が所定値よりも大きいと水素濃度判定手段６６により判定されたときには、燃料電池スタック１０に負担がかからない状態であるとして、暖機運転を行うべく、流量調整弁４１を閉方向に制御する。

また、必要に応じて、冷媒流量調整手段６９は、水素濃度判定手段６６による判定に基づいてパージ弁２４を制御する。例えば、水素濃度の値が所定値よりも小さいときには、冷媒の温度を低く維持して燃料電池スタック１０の負担を軽くするために、切替弁４３を制御して、冷媒がラジエータ４２（図１参照）に通流するように設定する（ラジエータ通流モード）。
また、前記した水素濃度の値が所定値よりも大きいと水素濃度判定手段６６により判定されたときには、燃料電池スタック１０に負担がかからない状態であるとして、暖機運転を行うべく、切替弁４３を制御して、冷媒がラジエータ４２（図１参照）をバイパスして通流するように設定する（バイパスモード）。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図６を主に参照しつつ適宜各図を参照して説明する。
ステップＳ１において、ＩＧ６０ａがオンされると、このオン信号を検知したＥＣＵ６０は、起動時の各種処理を実行し、ステップＳ２において、制御手段６１の水素濃度算出手段６１Ａにより、起動時の水素濃度を算出する。つまり、タイマ６２ｂにより計測されたソーク時間、冷媒温度センサ４４からの温度値に基づいて、図３から水素濃度が取得される。

ステップＳ３において、ＯＣＶパージが実行される。ここで、ＯＣＶパージは、燃料電池スタック１０が発電を行う前に、発電可能な状態かどうかを判断するために必要な手順であり、燃料電池スタック１０の起動に際して、アノード内の水素をフレッシュな水素に置き換え、水素濃度を高める操作である。ＯＣＶパージは、例えば、開回路電圧（開放端電圧ともいう）を用いて判断する。このＯＣＶは、電圧計（図示しない）から得られる電圧値Ｖによって判断される。また、ＯＣＶパージは、パージ弁２４を開くことにより行われる。これは、ソーク中（システム停止中）にアノード系内の水素濃度が低下することがあり、水素濃度が低いと燃料電池スタック１０の安定発電が行えなくなるからである。
なお、ＯＣＶチェックの完了の条件としては、例えば電圧値Ｖが所定電圧を超えたことにより判断することができる。

ステップＳ４において、ＯＣＶチェックの完了により燃料電池スタック１０が発電を開始する。すなわち、ＥＣＵ６０は、コンタクタ５４をＯＮ状態にするとともに、ＶＣＵ５２に対して燃料電池スタック１０から電流を取り出す指令を発する（燃料電池起動手段）。

ステップＳ５において、パージ積算量算出手段６３により、燃料電池スタック１０が起動されてからパージに使用された水素の積算量を算出する。

ステップＳ６において、水素濃度上昇量算出手段６４により、入力されたパージ積算量から水素濃度上昇量を算出する。

ステップＳ７において、推定水素濃度算出手段６５は、起動時水素濃度算出手段６２で算出された起動時の水素濃度と、水素濃度上昇量算出手段６４で算出された水素濃度上昇量とから、現在推定される水素濃度を算出する。

ステップＳ８において、ＥＣＵ６０により、暖機が完了したか否かが判定される。ここでは、燃料電池スタック１０が固有する暖機完了温度（例えば、６０℃以上）に、冷媒の温度値Ｔが到達したか否かを判定する。

暖機完了温度（例えば、６０℃以上）に、冷媒の温度値Ｔが到達していない（ステップＳ８：Ｎｏ）ときは、ステップＳ９において、運転制御手段６１Ｂの水素濃度判定手段６６によって、水素濃度（ステップＳ７で算出）の値が所定値（暖機移行水素濃度、例えば、水素濃度が９５％）よりも大きいか否かを判定する。

水素濃度（ステップＳ７で算出）の値が所定値よりも小さい（ステップＳ９：Ｎｏ）ときは、ステップＳ１０において、発電電流制御手段６７により発電電流上限値を算出する。つまり、水素濃度の値と冷媒の温度値Ｔとから、図５に基づいて、発電可能な発電電流上限値を取得し、その取得した発電電流上限値を超えないようにＶＣＵ５２を制御する。つまり、水素濃度の値が所定値より低いほど、発電電流の電流値が小さくなるように、また、検出された温度値Ｔが所定値より高いほど、発電電流の電流値が小さくなるようにＶＣＵ５２を制御する。

そして、ステップＳ１１において、パージ制御手段６８によりパージ量が増大するようにパージ弁２４を制御する。

さらに、ステップＳ１２において、冷媒流量調整手段６９により冷媒の温度値Ｔを低く維持して燃料電池スタック１０の負担を軽くするために、流量調整弁４１を開方向に制御する。なお、水素濃度が下がれば、冷媒の通流は、バイパスモード、ラジエータ通流モードのどちらでもよい。
その後、ステップＳ８以降を繰り返す。

一方、前記ステップＳ９において、水素濃度（ステップＳ７で算出）が所定値よりも大きい（Ｙｅｓ）ときは、ステップＳ１３において、発電電流制御手段６７により、ＶＣＵ５２の定格発電を許可する。

また、ステップＳ１４において、パージ制御手段６８により、パージ弁２４を通常のパージ量に制御するとともに、ステップＳ１５において、冷媒流量調整手段６９により、燃料電池スタック１０に負担がかからない状態であるとして、暖機運転を行うべく、流量調整弁４１を開方向に制御する。その後、ステップＳ８以降を繰り返す。

その後、ステップＳ８において、暖機完了温度（例えば、６０℃以上）に、冷媒の温度値Ｔが到達した（Ｙｅｓ）ときは、ステップＳ１６において、暖機を完了し、ステップＳ１７において、冷媒流量調整手段６９による流量調整弁４１の制御を解除し、その後、終了する。

以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１０の暖機が完了していない場合（暖機完了温度に到達していない場合（ステップＳ８：Ｎｏ））、つまり、燃料電池スタック１０の発電安定性が確保されていないときに、水素濃度の値を検出して、その水素濃度の値が所定値に到達していない低い濃度である場合（ステップＳ９：Ｎｏ）には、燃料電池スタック１０の発電を制限するので、ガス置換後の、アノード系内が完全に水素に置換されていない状況において、水素濃度と燃料電池スタック１０内の温度に見合った電流値で発電することができる。これにより、燃料電池スタック１０の負担を軽減することができ、燃料電池スタック１０の劣化を好適に抑制することができるようになる。

また、制御手段６１は、特定された水素濃度の値が所定値より低く、かつ、温度値Ｔが所定値よりも低いときに、冷媒の通流量を増大させるように制御するので、燃料電池スタック１０内の温度が低下され、ガス置換後の、アノード系内が完全に水素に置換されていない状況において反応性を低下させることができ、電極（触媒等）を保護することができる。これにより、燃料電池スタック１０の劣化を好適に抑制することができるようになる。

また、制御手段６１は、パージ弁２４によって排出されるアノードオフガスの量を増大させるように制御するので、燃料電池スタック１０内が水素で好適に置換されるようになり、燃料電池スタック１０の負担が軽減されて、燃料電池スタック１０の劣化を一層好適に抑制することができる。また、起動時間の短縮を図ることもできる。

また、制御手段６１は、水素濃度の値が所定値になったときに発電電流の制限を解除するので、燃料電池スタック１０から外部負荷に向けて定格で発電電流が引かれるようになる。これにより、燃料電池スタック１０が劣化するのを抑制しつつ、好適な発電を行うことができる。

また、制御手段６１は、水素濃度の値が所定値になっても、燃料電池スタック１０内の温度が暖機完了温度に到達するまで、冷媒の通流量を減少させるように制限するので、暖機が促進されるようになり、燃料電池スタック１０が劣化するのを抑制しつつ、好適な発電を行うことができる。

また、制御手段６１は、燃料電池スタック１０内の温度が暖機完了温度に到達したときに、冷媒の通流量の制限を解除するので、燃料電池スタック１０が劣化するのを抑制しつつ、好適な発電を行うことができる。

前記した実施形態では、流量調整弁４１を主として用いて、冷媒の流量を調整するようにしたが、これに限られることはなく、冷媒ポンプ４０の回転数をＥＣＵ６０の制御によって適宜制御することにより、流量調整弁４１を用いたときと同様に、冷媒の流量を調整するようにしてもよい。

また、流量調整弁４１の開閉制御、切替弁４３の切替制御、および冷媒ポンプ４０の回転数の制御を単独で、あるいは複数組み合わせることにより、冷媒の流量を調整するようにしてもよい。

また、冷媒温度センサ４４に代えて、膜電極接合体（ＭＥＡ）の温度を直接測定して、これを温度値としてもよい。

また、前記実施形態では、水素濃度算出手段６１Ａにより水素濃度を算出することで特定するようにしたが、これに限られることはなく、水素濃度センサを設けて水素濃度を検出するようにしてもよい。また、カソード系に酸素濃度センサを設けて、その値から水素濃度を推定することで特定するようにしてもよい。

本発明の一実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。制御手段を示すブロック図である。ソーク時間と水素濃度との関係を示す図である。パージ積算量と水素濃度上昇量との関係を示す図である。水素濃度と発電電流上限値との関係を示す図である。燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
２４パージ弁（パージ手段）
４１流量調整弁
４３切替弁
４４冷媒温度センサ
５２ＶＣＵ
５５電流センサ
６０ＥＣＵ
６１制御手段

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路内を前記燃料ガスで置換する置換手段と、
前記置換手段によりガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動手段と、
前記燃料電池内の前記燃料ガスの濃度を求める濃度特定手段と、
前記燃料電池内の温度を検出する温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの制御を行う制御手段をさらに有し、
前記制御手段は、
前記燃料電池起動手段により前記燃料電池の発電が開始された後に、前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池内の温度が、暖機が完了した暖機完了温度に到達しているか否かを判定し、
暖機完了温度に到達している場合には、前記燃料電池の暖機が完了していると判断し、
暖機完了温度に到達していない場合には、特定された前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達しているか否かを判定し、
前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達している場合には、前記燃料電池の定格発電を許可し、到達していない場合には、前記燃料電池の発電電流を制限し、
発電電流を制限する制御時に、特定された前記濃度値が低いほど発電電流の電流値が小さくなるように制御し、検出された前記燃料電池内の温度が高いほど発電電流の電流値が小さくなるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路内を前記燃料ガスで置換する置換手段と、
前記置換手段によりガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動手段と、
前記燃料電池内の前記燃料ガスの濃度を求める濃度特定手段と、
前記燃料電池内の温度を検出する温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの制御を行う制御手段をさらに有し、
前記制御手段は、
前記燃料電池起動手段により前記燃料電池の発電が開始された後に、前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池内の温度が、暖機が完了した暖機完了温度に到達しているか否かを判定し、
暖機完了温度に到達している場合には、前記燃料電池の暖機が完了していると判断し、
暖機完了温度に到達していない場合には、特定された前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達しているか否かを判定し、
前記燃料ガスの濃度値が所定値に到達している場合には、前記燃料電池の定格発電を許可し、到達していない場合には、前記燃料電池の発電電流を制限し、
発電電流を制限する制御時に、前記燃料電池内を通流する冷媒の通流量を増大させるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、発電電流を制限する制御時に、前記燃料電池内を通流する冷媒の通流量を増大させるように制御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。
前記制御手段は、前記濃度値が所定値になったときに、検出された前記燃料電池内の温度が暖機完了温度に到達するまで、前記冷媒の通流量を減少させるように制限することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、検出された前記燃料電池内の温度が暖機完了温度に到達したときに、前記冷媒の通流量の制限を解除することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池から排出される燃料ガスをパージするパージ手段を備え、
前記制御手段は、発電電流を制限する制御時に、前記パージ手段によって排出される燃料ガスの量を増大させるように制御することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記濃度値が所定値になったときに発電電流の制限を解除することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池内を通流する冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備え、
前記温度検出手段は、前記冷媒温度検出手段によって検出された前記冷媒の温度を前記燃料電池内の温度とすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池から排出される燃料ガスをパージするパージ手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の定格発電を許可する制御時に、前記パージ手段によって排出される燃料ガスの量を、前記燃料電池の発電電流を制限する制御時よりも少ない通常量としてパージを行った上で前記冷媒の通流量を減少させるように制御することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。
前記濃度特定手段は、前記燃料電池が停止してからの経過時間および前記冷媒温度検出手段により検出された冷媒の温度に基づいて前記燃料電池の起動時の水素濃度を求める起動時水素濃度算出手段を備え、
前記起動時水素濃度算出手段により求められた水素濃度は、経過時間が長く冷媒の温度が高いほど水素濃度が低くなることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。