JP6171572B2

JP6171572B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6171572B2
Application number: JP2013112799A
Authority: JP
Inventors: 聖星
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-05-29
Also published as: JP2014232636A

Description

この発明は、低温起動時に燃料電池を暖機する燃料電池システムに関する。

燃料電池にカソードガス及びアノードガスを供給し、負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムが知られている。この燃料電池については、一般的に７０℃前後が発電に適した温度域とされている。そのため、燃料電池システムを起動してから発電に適した温度域に燃料電池を早く昇温させることが望ましい。

特許文献１には、燃料電池自身を発電させることで発生する自己発熱を利用して燃料電池の暖機時間を短くする燃料電池システムが開示されている。

特開２００９−４２４３号公報

ところで、車両に搭載される燃料電池システムは、車両の使用環境によっては、例えばマイナス３０℃の零下で起動される場合があり、この場合、現在開発中のシステムでは次のような不都合を生じる可能性を発明者らが見出した。

現在開発中のシステムでは、燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を調整するための調圧弁をカソードガス排出通路に設け、この調圧弁については、燃料電池を冷却する冷却水の一部を利用して暖機を行っている。

このようなシステムにおいて、燃料電池の暖機が開始されると、発電に伴って生成水量が増加する。そして、生成水量が電解質膜で保水できる保水量を上回ると、電解質膜から溢れ出した生成水が、カソードガスと共にカソードガス排出通路へ排出される。このとき、カソードガス排出通路に設けられた調圧弁が未だに０℃以下の状態では、カソードガス排出通路に流れてきた生成水が調圧弁で凍結し、調圧弁を制御できなくなることが懸念される。

上記の問題は、特に、燃料電池から駆動モータへの発電が許可されて、燃料電池が多量に発電している状況で起こりやすい。このような状況では、燃料電池の発電量が増えるので、暖機が促進される一方、早期に生成水量が電解質膜の保水量を上回るため、冷却水によって暖機される調圧弁にとっては生成水が到達するまでの時間が短くなる。このため、調圧弁の温度が０℃を超えないうちに、生成水が排出通路に流れてきて調圧弁が凍結する可能性がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、零下起動時において燃料電池の排出通路に設けられる部品の凍結を防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムは、燃料電池にアノードガスとカソードガスを供給すると共に負荷に応じて発電する。燃料電池システムは、前記燃料電池から排出されるいずれかのガスを通す排出通路に設けられ、前記燃料電池の状態を制御するための部品と、を含む。そして燃料電池システムは、前記燃料電池を冷却するための冷却水通路から分岐して前記部品を通り、前記冷却水通路を流れる冷却水によって前記部品を暖機する分岐通路と、前記燃料電池への要求電力に基づいて前記負荷を調整する負荷調整部と、を含む。さらに燃料電池システムは、前記燃料電池の暖機中に、前記部品の温度が氷点温度よりも低いときには、発電に伴う生成水量、又は、前記部品と前記燃料電池の温度差に基づいて前記負荷調整部が調整する負荷を制限する制限部と、を含むことを特徴とする。

まず、燃料電池の暖機中において、負荷に供給される発電電力が大きいときには、発熱量が多くなると共に発電に伴う生成水が多量に発生するため、早期に生成水量が電解質膜の保水量を上回る。その結果、排出通路に設けられた部品の暖機時間は短くなるので、部品の温度が０℃よりも低い状態で生成水が排出通路に排出されて部品が凍結する可能性がある。

本発明の態様によれば、排出通路に設けられた部品が暖機中に氷点温度よりも低いときには、燃料電池の生成水量、又は、燃料電池と部品との温度差の少なくとも一方をモニターする。このため、生成水量が電解質膜の保水量を早期に上回り、部品が氷点温度まで上昇する前に生成水が排出通路に流れてきて部品が凍結するという状況を適切に把握できる。

このような状況では、燃料電池システムの補機や駆動モータなどの負荷に対する発電電力の供給量を制限することにより、生成水の増加量や、冷却水による部品への放熱量などを調整できるので、上記の不都合を抑制することができる。すなわち、燃料電池の零下起動時において排出通路に設けられる部品の凍結を防止することができる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。図２は、コントローラーの機能構成を示すブロック図である。図３は、スタック発電制限部の詳細を示すブロック図である。図４は、燃料電池の保水量を示すマップ図である。図５は、発電電流の上限値を示すマップ図である。図６は、冷却水ポンプ制限部の詳細を示すブロック図である。図７は、ポンプ回転数の下限値を示すマップを示す図である。図８は、ヒーター制限部の詳細を示すブロック図である。図９は、ヒーター発熱量の下限値を示すマップ図である。図１０は、暖機制限部による凍結防止手法を示す図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池に対して外部から発電に必要な燃料ガスを供給し、負荷に応じて発電する電源システムである。本実施形態では、車両を駆動する駆動モータなどに電力を供給する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、カソードガス給排装置１２０と、アノードガス給排装置１３０と、スタック冷却装置１４０と、内部抵抗測定装置１５０と、コントローラー１６０と、を備える。なお、カソードガス給排装置１２０、アノードガス給排装置１３０、及びスタック冷却装置１４０は、燃料電池システム１００の補機である。

燃料電池スタック１１０は、例えば数百Ｖ（ボルト）の電圧を発電する。燃料電池スタック１１０は、駆動モータや補機に接続される。燃料電池スタック１１０は、数百枚の燃料電池（電池セル）を積層したものである。

燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電極で挟まれる電解質膜と、により構成される。燃料電池は、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とを用いて電解質膜で電気化学反応（発電反応）を起こす。アノード電極及びカソード電極の両電極では、以下の電気化学反応が進行する。

アノード電極：２Ｈ² → ４Ｈ⁺ ＋４ｅ- ・・・（１）
カソード電極：４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ² → ２Ｈ²Ｏ・・・（２）

燃料電池では、上記（１）及び（２）の電気化学反応によって起電力が生じると共に水が生成される。燃料電池は互いに直列に接続されているため、燃料電池スタック１１０では、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が出力電圧となる。

燃料電池スタック１１０は、カソードガス給排装置１２０からカソードガスが供給され、アノードガス給排装置１３０からアノードガスが供給される。

カソードガス給排装置１２０は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。

カソードガス給排装置１２０は、カソードガス供給通路２１と、フィルター２２と、カソードコンプレッサー２３と、カソード圧力センサー２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６と、を備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は、外気から酸素を取り込む通路と連通し、他端はカソードガス入口孔１２１に接続される。

フィルター２２は、カソードガス供給通路２１に設けられ、カソードガスに含まれる異物を除去する。

カソードコンプレッサー２３は、フィルター２２よりも下流に位置するカソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサー２３は、外気からカソードガス供給通路２１に酸素を取り込み、カソードガスとして燃料電池スタック１１０に供給する。

カソード圧力センサー２４は、カソードコンプレッサー２３とカソードガス入口孔１２１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサー２４は、カソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサー２４は、検出した値をコントローラー１６０に出力する。カソード圧力センサー２４の検出値は、例えばカソード調圧弁２６の開度の調整に用いられる。

カソードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１１０からカソードオフガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路２５の一端はカソードガス出口孔１２２に接続され、他端は開口している。

カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５に設けられる。カソード調圧弁２６は、コントローラー１６０によって開閉制御される。この開閉制御によって、カソード調圧弁２６よりも上流側の通路を流れるカソードガスの圧力が所望の圧力に調節される。

アノードガス給排装置１３０は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０から排出されるアノードオフガスに含まれる不純物を除去して燃料電池スタック１１０に循環させる装置である。

アノードガス給排装置１３０は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサー３４と、を備える。さらにアノードガス給排装置１３０は、アノードガス循環通路３５と、気液分離装置３６と、パージ弁３７及びパージ弁３８と、循環ポンプ３９と、排出通路３５１及び排出通路３５２と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１１０に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は、アノードガス入口孔１３１に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラー１６０によって開閉制御される。この開閉制御によって、アノードガス供給通路３２から燃料電池スタック１１０に供給するアノードガスの圧力が調節される。

アノード圧力センサー３４は、アノード調圧弁３３とアノードガス入口孔１３１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサー３４は、アノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサー３４は、検出した値をコントローラー１６０に出力する。アノード圧力センサー３４の検出値は、例えばアノード調圧弁３３の開度の調整に用いられる。

アノードガス循環通路３５は、燃料電池スタック１１０から排出されるアノードガスをアノードガス供給通路３２に循環させる通路である。アノードガス循環通路３５の一端は、燃料電池スタック１１０のアノードガス出口孔１３２に接続され、他端は、アノード調圧弁３３とアノード圧力センサー３４との間のアノードガス供給通路３２に合流する。

循環ポンプ３９は、アノードガス循環通路３５に設けられる。循環ポンプ３９は、気液分離装置３６を通過したアノードガスを燃料電池スタック１１０に循環させる。

気液分離装置３６は、アノードガス循環通路３５に設けられる。アノードガス循環通路３５には、燃料電池スタック１１０からアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスと共に、カソードガスに含まれる不活性ガスの窒素や、発電反応によって生成される水などの不純物が含まれている。

気液分離装置３６は、アノードオフガスに含まれる水や窒素ガスなどの不純物を余剰のアノードガスから分離する。気液分離装置３６は、例えば、アノードオフガスを一時的に蓄えるバッファタンクであり、アノードオフガス中の水蒸気を凝縮して液水にする。気液分離装置３６で不純物が除去されたアノードガスは、アノードガス循環通路３５を通り再び燃料電池スタック１１０に供給される。また、気液分離装置３６の下部には排出通路３５１が設けられている。

排出通路３５１は、気液分離装置３６によって分離された不純物を排出するための通路である。排出通路３５１の一端は、気液分離装置３６の排出孔に接続され、他端は、カソード調圧弁２６よりも下流のカソードガス排出通路２５に合流する。

パージ弁３７は、排出通路３５１に設けられる。パージ弁３７は、コントローラー１６０によって開閉制御される。この開閉制御によって、窒素ガスや液水などの不純物がカソードガス排出通路２５へ排出される。

排出通路３５２は、循環ポンプ３９の下流でアノードガス循環通路３５から分岐して、カソード調圧弁２６よりも下流のカソードガス排出通路２５と合流する。

パージ弁３８は、排出通路３５２に設けられる。パージ弁３８は、アノードガスをカソードガス排出通路２５へ排出する。パージ弁３８は、コントローラー１６０によって開閉制御される。

スタック冷却装置１４０は、冷媒である冷却水を用いて燃料電池スタック１１０を冷却して燃料電池スタック１１０を発電に適した温度に調整する。また、スタック冷却装置１４０は、燃料電池システム１００が零下で起動されたときには、冷却水を加熱して燃料電池スタック１１０を暖機する。

さらにスタック冷却装置１４０は、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８についても冷却水を利用して暖機する。なお、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８のことを以下では「排出バルブ」ともいう。

スタック冷却装置１４０は、冷却水循環通路４１と、ラジエーター４２と、バイパス通路４３と、サーモスタット４４と、冷却水ポンプ４５と、ヒーター４６と、水温センサー４７と、水温センサー４８と、分岐通路５１と、水温センサー５２と、を備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１１０に冷却水を循環させる通路である。

ラジエーター４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエーター４２は、燃料電池スタック１１０で温められた冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエーター４２をバイパスする通路である。バイパス通路４３の一端は、冷却水循環通路４１に接続され、他端は、サーモスタット４４に接続される。

サーモスタット４４は、バイパス通路４３が冷却水循環通路４１に合流する部分に設けられる。サーモスタット４４は開閉弁である。サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度によって自動的に開閉する。

例えば、サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度が所定の開弁温度よりも低いときには閉じた状態となり、バイパス通路４３を経由してきた冷却水のみを燃料電池スタック１１０に供給する。これにより、燃料電池スタック１１０には相対的に高温の冷却水が流れる。

一方、サーモスタット４４は、内部を流れる冷却水の温度が開弁温度以上になると、徐々に開き始める。そしてサーモスタット４４は、バイパス通路４３を経由してきた冷却水と、ラジエーター４２を経由してきた冷却水と、を内部で混合して燃料電池スタック１１０に供給する。これにより、燃料電池スタック１１０には相対的に低温の冷却水が流れる。

冷却水ポンプ４５は、サーモスタット４４と燃料電池スタック１１０の入口孔との間の冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４５は、燃料電池スタック１１０を流れる冷却水を循環させる。冷却水ポンプ４５の吐出流量は、コントローラー１６０によって制御される。

ヒーター４６は、サーモスタット４４と冷却水ポンプ４５との間の冷却水循環通路４１に設けられる。ヒーター４６は、燃料電池スタック１１０の暖機時に通電され、冷却水を温める。ヒーター４６の発熱量は、燃料電池スタック１１０からの供給電力が大きくなるほど多くなる。ヒーター４６としては、例えばＰＴＣヒーターが使用される。

水温センサー４７は、燃料電池スタック１１０の流入口近傍の冷却水循環通路４１に設けられる。水温センサー４７は、燃料電池スタック１１０に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。水温センサー４７は、検出したスタック入口水温をコントローラー１６０に出力する。

水温センサー４８は、燃料電池スタック１１０の流出口付近の冷却水循環通路４１に設けられる。水温センサー４８は、燃料電池スタック１１０から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。水温センサー４８は、検出したスタック出口温度をコントローラー１６０に出力する。

分岐通路５１は、冷却水ポンプ４５の下流の冷却水循環通路４１から分岐して、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８をそれぞれ通過し、冷却水ポンプ４５の上流の冷却水循環通路４１に合流する。カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８は、燃料電池スタック１１０の発電状態を良好に維持するために用いられる部品である。

分岐通路５１によってパージ弁３７及びパージ弁３８よりも先にカソード調圧弁２６に冷却水を通過させる理由は、発電に伴う生成水はカソード側で発生するので、生成水は、カソードガス排出通路２５から先に排出されやすい。そのため、ヒーター４６で加熱された冷却水をカソード調圧弁２６から先に通すことにより、パージ弁３７及びパージ弁３８よりもカソード調圧弁２６の暖機を優先して行うことができる。

水温センサー５２は、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の下流の分岐通路５１に設けられる。水温センサー５２は、パージ弁３８を通過した冷却水の温度（以下「パージ弁出口水温」という。）を検出する。水温センサー５２は、検出したパージ弁出口水温をコントローラー１６０に出力する。

内部抵抗測定装置１５０は、燃料電池スタック１１０の湿潤度を推定するために、燃料電池スタック１１０の内部抵抗（インピーダンス）を測定する。電解質膜の湿潤度が小さいほど（電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど）インピーダンスが大きくなり、電解質膜の湿潤度が大きいほど（電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど）インピーダンスが小さくなる。

内部抵抗測定装置１５０は、例えば、燃料電池スタック１１０の内部抵抗（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）を測定する。内部抵抗測定装置１５０は、燃料電池スタック１１０の電圧端子１１９に交流電流を供給し、交流電流によって電圧端子１１９に生じる電圧の振幅を検出する。内部抵抗測定装置１５０は、検出した振幅を交流電流の振幅で除算して内部抵抗値を算出する。内部抵抗測定装置１５０は、内部抵抗値をコントローラー１６０に出力する。

コントローラー１６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。

コントローラー１６０には、水温センサー４７からスタック入口水温が入力され、水温センサー４８からスタック出口水温が入力され、内部抵抗測定装置１５０から燃料電池スタック１１０の内部抵抗値が入力される。

コントローラー１６０は、スタック入口水温、スタック出口水温や、内部抵抗値などの測定値に基づいて、カソードコンプレッサー２３、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３、パージ弁３７及びパージ弁３８を制御する。これにより、燃料電池スタック１１０に供給するカソードガス及びアノードガスの流量が発電要求に応じて調整できるので、燃料電池スタック１１０の発電状態が良好に維持される。

またコントローラー１６０は、燃料電池システム１００の起動時においては、燃料電池スタック１１０を発電に適した発電温度（例えば６０℃）まで暖機する制御（以下「暖機促進運転」という）を実行する。

暖機促進運転では、コントローラー１６０は、燃料電池スタック１１０を補機に電気的に接続し、補機の駆動に必要な電力を燃料電池スタック１１０で発電させる。これにより、発電に伴う発熱によって燃料電池スタック１１０自体が暖機される。燃料電池スタック１１０で発電した電力は、カソードコンプレッサー２３、冷却水ポンプ４５や、ヒーター４６などの補機に供給される。

さらに、コントローラー１６０は、冷却水ポンプ４５の回転数を可変範囲の上限値に設定すると共に、ヒーター４６の発熱量を可変範囲の上限値に設定する。これにより、冷却水によって燃料電池スタック１１０が暖機される。また、冷却水ポンプ４５及びヒーター４６で消費される発電電力が大きくなるため、燃料電池スタック１１０の自己発熱量が増加する。このため、燃料電池スタック１１０を起動してから暖機が完了するまでの暖機時間を短縮することができる。

このような燃料電池システムでは、燃料電池の発電によって生成される生成水が、電解質膜で保水できる保水量を上回ると、電解質膜から溢れ出した生成水は、カソードガス排出通路やアノードガス循環通路の排出通路に排出される。このとき、カソード調圧弁やパージ弁が未だに０℃以下の状態では、排出された生成水がカソード調圧弁やパージ弁で凍結し、コントローラーがカソード調圧弁やパージ弁を制御できなくなることが懸念される。

上記の問題は、特に、燃料電池スタックから駆動モータへの発電が許可されて、燃料電池スタックで多量に発電している状況で起こりやすい。

このような状況では、燃料電池スタックの発熱量が多くなるため、燃料電池スタックの暖機時間を短縮できるものの、発電に伴う生成水の増加量が多くなるので、早期に生成水量が電解質膜の保水量を上回ることになる。その結果、カソード調圧弁やパージ弁に生成水の到達する時期が早まる。

カソード調圧弁やパージ弁は、冷却水によって徐々に温められるので、生成水の到達する時期が早まると、カソード調圧弁やパージ弁の温度が０℃に達していない状態で生成水が到達して凍結することが懸念される。

そこで、本発明では、排出通路に設けられたカソード調圧弁やパージ弁などの排出バルブの温度と、燃料電池スタックの温度又は生成水量と、をモニターし、必要に応じて燃料電池スタックから負荷に供給される電力を制限する。

図２は、本発明の実施形態におけるコントローラー１６０の機能構成を示す図である。

暖機制御部１６１は、零下起動時に、カソードガス給排装置１２０、アノードガス給排装置１３０、及びスタック冷却装置１４０を制御して、燃料電池スタック１１０を暖機する。

暖機制御部１６１は、圧力センサー２４及び３４と、水温センサー４７及び４８と、水温センサー５２と、温度センサー２６１、３７１及び３８１とを用いて、燃料電池スタック１１０の発電状態、及び、冷却水の温度状態を監視する。そして暖機制御部１６１は、カソードコンプレッサー２３、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３、パージ弁３７及びパージ弁３８、サーモスタット４４、冷却水ポンプ４５及びヒーター４６を制御する。

暖機制御部１６１は、バルブ凍結防止用暖機制限部（以下、単に「暖機制限部」という）２００と、負荷調整部３００と、指令部４００と、を備える。

暖機制限部２００は、排出バルブの凍結対策として、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の温度が、氷点温度よりも低い場合には、燃料電池スタック１１０から負荷に供給する全体の発電電力を制限する。これにより、単位時間あたりの生成水の増加量を抑制する。なお、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の温度を以下では「排出バルブ温度」という。

例えば、暖機制限部２００は、内部抵抗測定装置１５０で測定された内部抵抗値と、燃料電池スタック１１０から駆動モータ及び補機などの負荷へ出力される出力電流と、に基づいて、燃料電池スタック１１０の生成水量を推定する。そして暖機制限部２００は、生成水量に基づいて、燃料電池スタック１１０の発電電流の上限値を凍結防止用の制限値として負荷調整部３００に設定する。

また、暖機制限部２００は、排出バルブの凍結対策として、排出バルブ温度が氷点温度よりも低い場合には、冷却水ポンプ４５及びヒーター４６への供給電力を高く制限する。

例えば、暖機制限部２００は、燃料電池スタック１１０の温度と排出バルブ温度との温度差に基づいて、冷却水ポンプ４５及びヒーター４６への供給電力の下限値を、凍結防止用の制限値として負荷調整部３００に設定する。これにより、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の暖機を促進する。

本実施形態では、燃料電池スタック１１０の温度として、スタック入口水温及びスタック出口水温の平均値が用いられ、排出バルブ温度として、水温センサー５２で検出されるパージ弁出口水温が用いられる。

これにより、燃料電池スタック１１０、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８に温度センサーを設けることなく、スタック温度と排出バルブ温度との温度差を簡易に推定することができる。

さらにパージ弁出口水温は、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の実際の温度よりも低いので、パージ弁出口水温を排出バルブ温度として用いることにより、安全サイドで凍結対策を実施することができる。

また、水温センサー５２は、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８のうち最も温度上昇が遅いパージ弁３８近傍であって、パージ弁３８よりも下流側の分岐通路５１に設けられている。このため、全ての排出バルブが０℃に達するまで確実に凍結対策を実施することができる。

負荷調整部３００は、暖機に必要な発電電力の要求値が、凍結対策用の制限値を超えないように、駆動モータ、カソードコンプレッサー２３、冷却水ポンプ４５及びヒーター４６のそれぞれに対する供給電力の目標値を調整する。なお、要求値は、零下時の燃料電池スタック１１０の基準特性（ＩＶ特性）によって予め定められた値である。

指令部４００は、負荷調整部３００で調整された目標値に基づいて、カソードガス給排装置１２０、アノードガス給排装置１３０、及びスタック冷却装置１４０を駆動する。

次に暖機制御部１６１の詳細構成について図３から図５までの図面を参照して説明する。図３から図５には、それぞれ、燃料電池スタック１１０の発電電流、冷却水ポンプ４５の回転数、及び、ヒーター４６の発熱量を制限する構成が示される。

図３は、暖機制限部２００を構成するスタック発電制限部２０１の詳細を示す機能ブロック図である。図３では、スタック発電制限部２０１の他に、負荷調整部３００を構成する目標電流設定部３０１及び暖機要求電流演算部３１０が示されている。

スタック発電制限部２０１は、排出バルブ温度が氷点温度よりも低い場合には、排出バルブの凍結防止のために、燃料電池スタック１１０の発電電流の上限値を演算する。

スタック発電制限部２０１は、水温センサー５２からのパージ弁出口水温、水温センサー４７からのスタック入口水温、及び、水温センサー４８からのスタック出口水温をそれぞれ取得する。そしてスタック発電制限部２０１は、スタック入口水温とスタック出口水温との平均値をスタック温度として算出する。また、スタック発電制限部２０１は、内部抵抗測定装置１５０から内部抵抗値を取得する。

また、スタック発電制限部２０１には、燃料電池スタック１１０の前回停止時に測定された内部抵抗値及びスタック温度が共に保持されている。一般に零下起動時では、燃料電池スタック１１０の凍結などが原因で、燃料電池の保水量と内部抵抗値との相関関係にズレが生じるため、実際の内部抵抗値よりも測定値が高くなることがある。このため、保水量の推定誤差が大きくなる。

一方、燃料電池システム１００の停止時には、通常、スタック温度は発電に適した温度付近に保たれているため、相関関係のズレが比較的小さいと考えられる。そのため、前回停止時のスタック温度及び内部抵抗値を用いることで、起動時の保水量の推定精度を高めることができる。

スタック発電制限部２０１は、生成水量推定部２１０と、上限電流演算部２２１と、制限解除情報保持部２２８と、制限切替部２３１と、を備える。

生成水量推定部２１０は、電解質膜の起動時の保水量と、発電に伴う発電生成水量とを加算して、電解質膜全体の積算生成水量を推定する。

生成水量推定部２１０は、起動時保水量演算部２１１と、発電生成水量演算部２１２と、演算周期乗算部２１３と、生成水量積算部２１４と、生成水量保持部２１５と、を備える。

起動時保水量演算部２１１は、車両のイグニッションキーがＯＮに設定されて燃料電池システム１００が起動命令を受けると、前回停止時のスタック温度及び内部抵抗値に基づいて、電解質膜に含まれている生成水量、すなわち起動時の保水量を算出する。

本実施形態では、起動時保水量演算部２１１には、燃料電池スタック１１０のスタック温度ごとに、燃料電池スタック１１０の内部抵抗値と保水量との関係を示す保水量マップが予め記憶されている。保水量マップについては図４を参照して後述する。

起動時保水量演算部２１１は、起動命令を受けると、図４に示した保水量マップを参照して、前回停止時のスタック温度と内部抵抗値とで特定される保水量を、生成水量保持部２１５に生成水量の初期値として記録する。

なお、図４に示した保水量マップの代わりに、スタック温度に応じて内部抵抗値を補正する補正データと、内部抵抗値と保水量との関係を示す保水量データと、を別々に起動時保水量演算部２１１に記録しておいても良い。そして起動時保水量演算部２１１は、起動時に補正データを参照して前回停止時の内部抵抗値を補正し、補正後の内部抵抗値によって保水量データから前回停止時の保水量を取得する。

発電生成水量演算部２１２は、燃料電池スタック１１０の発電状態に基づいて、単位時間あたりの発電生成水量を演算する。

本実施形態では発電生成水量演算部２１２は、例えば１００ｍｓ（ミリセカンド）の演算周期ごとに、燃料電池スタック１１０の出力電流を取得する。なお、燃料電池スタック１１０の出力電流としては、例えば、燃料電池スタック１１０に設けられた電流センサーで検出された検出値を用いても良く、あるいは前回設定した発電電流の目標値を用いても良い。

発電生成水量演算部２１２は、次式のとおり、出力電流Ｉ[Ａ]と、ファラデー定数Ｆ[C/mol]と、反応物１モル当たりに生成（消費）する電子の数ｎと、電池セルの枚数Ｎｃ[cell]と、水の分子量Ｍｗ[g/mol]とで、発電生成水量Ｗｖ[g/sec]を演算する。

なお、ファラデー定数Ｆ[C/mol]、電子の数ｎ、電池セルの枚数Ｎｃ[cell]、及び、水の分子量Ｍｗ[g/mol]は、あらかじめ発電生成水量演算部２１２に記憶されている。

発電生成水量演算部２１２は、単位時間あたりの発電生成水量Ｗｖを演算周期乗算部２１３に出力する。

演算周期乗算部２１３は、発電生成水量Ｗｖに演算周期の時間Δｔを乗算して、演算周期中に生成される発電生成水量を生成水量積算部２１４に算出する。

生成水量積算部２１４は、生成水量保持部２１５に保持された生成水量に、演算周期乗算部２１３からの発電生成水量を積算して積算生成水量を算出する。また、積算生成水量は、上限電流演算部２２１に供給されると共に生成水量保持部２１５に記録される。

生成水量保持部２１５には、演算周期ごとに、生成水量積算部１１２による前回の演算結果が保持される。すなわち、生成水量保持部２１５には１周期前の積算生成水量が保持されている。

上記以外の方法でも、例えば起動時保水量演算部２１１が、図４に示した保水量マップを参照して、演算周期Δｔごとに取得したスタック温度及び内部抵抗値で特定される保水量を積算生成水量として算出しても良い。

上限電流演算部２２１は、排出バルブの凍結防止のために燃料電池スタック１１０の発電電流を制限する制限値を演算する。具体的には上限電流演算部２２１は、生成水量積算部２１４からの積算生成水量と、水温センサー４８で検出されるスタック出口水温と、に基づいて、発電電流の上限値を算出する。

上限電流演算部２２１には、積算生成水量ごとに、スタック出口水温に応じた発電電流の上限値を示す上限電流マップが、あらかじめ記憶されている。上限電流マップの詳細については図５を参照して後述する。

上限電流演算部２２１は、積算生成水量が多くなるほど、電解質膜で保水できる保水量が少なくなるため、発電電流の上限値を小さく設定する。これにより、発電に伴う単位時間あたりの生成水量が減少するので、電解質膜から生成水が溢れ出すまでの時間を遅らせることができる。

さらに上限電流演算部２２１は、スタック出口水温が高くなるほど、積算生成水量が多くなるため、発電電流の上限値を小さく設定する。これによっても、単位時間あたりの生成水量を減らして電解質膜から生成水が溢れ出すまでの時間を遅らせることができる。

上限電流演算部２２１は、演算周期ごとに、図５に示した上限電流マップを参照して積算生成水量とスタック出口水温とで特定される発電電流の上限値を制限切替部２３１に出力する。

制限解除情報保持部２２８は、発電電流の制限を解除するための解除値を保持する。解除値は、暖機要求電流演算部３１０から出力される値よりも常に大きい値が設定される。例えば、解除値は、無限大に設定される。

制限切替部２３１は、水温センサー５２で検出されたパージ弁出口水温、すなわち排出バルブ温度に基づいて、上限電流演算部２２１から出力される発電電流の上限値を目標電流設定部３０１に設定する。

制限切替部２３１は、パージ弁出口水温が０℃（もしくは氷点温度）以下である場合には、上限電流演算部２２１から発電電流の上限値を目標電流設定部３０１に出力する。一方、制限切替部２３１は、パージ弁出口水温が０℃よりも高い場合には、出力値を制限解除情報保持部２２８に保持された解除値に切り替える。

暖機要求電流演算部３１０は、暖機に必要な燃料電池スタック１１０に対する要求電力に基づいて、駆動モータを動作させるのに必要な発電電流の要求値を目標電流設定部３０１に出力する。

目標電流設定部３０１は、暖機要求電流演算部３１０からの要求値と、制限切替部２３１から出力される制限値と、のうち小さい方の値を目標電流として指令部４００に設定する。

目標電流設定部３０１は、パージ弁出口水温が０℃よりも低い場合には、制限切替部２３１からの発電電流の上限値と、要求値とのうち小さい方の値を選択し、選択した値を指令部４００に出力する。

すなわち、目標電流設定部３０１は、パージ弁出口水温が０℃よりも低い温度環境では、上限電流演算部２２１で演算された上限値を超えないように燃料電池スタック１１０の目標電流を制限する。

一方、目標電流設定部３０１は、排出バルブ温度が０℃以上である場合には、制限切替部２３１から出力される解除値よりも小さな要求値を選択し、発電電流の要求値を指令部４００に出力する。すなわち、排出バルブ温度が０℃よりも高い温度環境では、目標電流の制限が解除される。

このように、スタック発電制限部２０１は、排出バルブ温度が０℃よりも低い場合には、積算生成水量に応じて発電電流の上限値を小さく設定する。

このように、排出バルブ温度が０℃を超えるまでは、積算生成水量に応じて単位時間あたりの生成水量を減らすことにより、燃料電池スタック１１０から生成水が排出される時期を、排出バルブ温度が０℃を超えるまで遅らせることができる。よって、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８などの部品の凍結を防止することができる。

図４は、起動時保水量演算部２１１に保持される保水量マップを示す図である。図４では、横軸が燃料電池スタック１１０の内部抵抗値であり、縦軸が燃料電池スタック１１０の保水量である。

保水量マップには、スタック出口水温ごとに、燃料電池スタック１１０の内部抵抗値と保水量とが互いに対応付けられている。

保水量マップでは、内部抵抗値が大きくなるほど、保水量は小さくなる。また、同一の内部抵抗値において、スタック出口水温が低いほど、保水量は大きくなる。燃料電池スタック１１０の温度が低くなると、凍結によって内部抵抗測定装置１５０の測定値が本来の内部抵抗よりも大きく見積もられてしまう。この対策として保水量マップには、スタック出口水温ごとに、内部抵抗値と保水量との関係が示されている。

図５は、上限電流演算部２２１に保持される上限電流マップを示す図である。図５では、横軸が燃料電池スタック１１０のスタック出口水温Ｔであり、縦軸が発電電流の上限値である。最大値ＭＡＸは、暖機に必要な発電電流であり、最小値ＭＩＮは、ドライアウトなどのシステム異常を防止するために定められている。

上限電流マップには、燃料電池スタック１１０の生成水量Ｗごとに、スタック出口水温と発電電流の上限値とが互いに対応付けられている。発電電流の上限値は、例えば、実験データに基づいて設定される。ここでは、生成水量Ｗ１〜Ｗ３のそれぞれについて、水タック出口水温と発電電流の上限値との関係が示されている。

上限電流マップでは、スタック出口温度が高くなるほど、発電電流の上限値は小さくなる。また、同一のスタック出口水温において、生成水量が多くなるほど、発電電流の上限値が低くなる。

次に冷却水ポンプ４５の回転数の下限値を高く制限して排出バルブの凍結を防止する例について説明する。

図６は、暖機制限部２００を構成する冷却水ポンプ制限部２０２の詳細を示す機能ブロック図である。図６では、冷却水ポンプ制限部２０２の他に、負荷調整部３００を構成する目標回転数設定部３０２及び暖機要求回転数演算部３２０が示されている。

冷却水ポンプ制限部２０２は、排出バルブの凍結防止のために冷却水ポンプ４５の回転数の下限値を演算する。

冷却水ポンプ制限部２０２は、水温センサー４８からスタック出口水温を取得し、水温センサー５２からパージ弁出口水温を排出バルブ温度として取得する。

冷却水ポンプ制限部２０２は、温度差算出部２１６と、下限回転数演算部２２２と、制限解除情報保持部２２９と、制限切替部２３２と、を備える。

温度差算出部２１６は、スタック出口水温からパージ弁出口水温を減算して温度差を算出する。温度差算出部２１６は、算出した温度差を下限回転数演算部２２２に出力する。

下限回転数演算部２２２は、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差に応じて、冷却水ポンプ４５の回転数を制限する下限値を演算する。

本実施形態では、下限回転数演算部２２２には、ポンプ回転数マップがあらかじめ記憶されている。ポンプ回転数マップには、スタック出口水温ごとに、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差と、ポンプ回転数の下限値との関係が示されている。ポンプ回転数マップについては図７を参照して後述する。

下限回転数演算部２２２は、温度差算出部２１６で算出された温度差を取得すると、ポンプ回転数マップを参照して、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差とパージ弁出口水温とで特定されるポンプ回転数の下限値を算出する。

下限回転数演算部２２２は、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差が大きくなるほど、冷却水から排出バルブへの放熱量が高くなるため、ポンプ回転数の下限値を大きくする。

これにより、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の暖機が促進されるので、燃料電池スタック１１０から生成水が排出される前に、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の温度を０℃に到達させることが可能になる。

また、下限回転数演算部２２２は、同一の温度差において、スタック出口水温が高いほど、冷却水からカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８への放熱量が高くなるため、ポンプ回転数の下限値を大きくする。

これによっても、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の暖機が促進されるので、燃料電池スタック１１０から生成水が排出される前に、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の温度を０℃に到達させることが可能になる。

下限回転数演算部２２２は、演算周期ごとに、ポンプ回転数マップを参照してスタック温度及び排出バルブ温度の温度差とスタック出口水温とで特定されるポンプ回転数の下限値を制限切替部２３２に出力する。

制限解除情報保持部２２９は、ポンプ回転数の制限を解除するための解除値を保持する。解除値は、暖機要求回転数演算部３２０から出力される値よりも常に小さい値に設定される。例えば、解除値は、０（ゼロ）に設定される。

制限切替部２３２は、水温センサー５２で検出されたパージ弁出口水温、すなわち排出バルブ温度に基づいて、下限回転数演算部２２２から出力されるポンプ回転数の下限値を目標回転数設定部３０２に設定する。

制限切替部２３２は、排出バルブ温度が０℃以下である場合には、下限回転数演算部２２２からポンプ回転数の下限値を目標回転数設定部３０２に出力する。一方、制限切替部２３２は、排出バルブ温度が０℃よりも高い場合には、制限解除情報保持部２２９に保持された解除値に切り替える。

暖機要求回転数演算部３２０は、燃料電池スタック１１０に対する要求電力に基づいて、冷却水ポンプ４５を駆動するのに必要なポンプ回転数の要求値を目標回転数設定部３０２に出力する。

目標回転数設定部３０２は、暖機要求回転数演算部３２０から出力される要求値と、制限切替部２３２から出力される制限値と、のうち小さい方の値を目標回転数として指令部４００に設定する。

目標回転数設定部３０２は、パージ弁出口水温が０℃よりも低い場合には、制限切替部２３２からのポンプ回転数の下限値と要求値とのうち小さい方の値を選択し、選択した値を指令部４００に出力する。すなわち、目標回転数設定部３０２は、排出バルブ温度が０℃よりも低い温度環境では、下限回転数演算部２２２で演算された下限値よりも低くならないように冷却水ポンプ４５の目標回転数を高く制限する。

一方、目標回転数設定部３０２は、排出バルブ温度が０℃以上である場合には、制限切替部２３２から出力される解除値よりも大きな要求値を選択し、その要求値を指令部４００に出力する。すなわち、排出バルブ温度が０℃よりも高い温度環境では、冷却水ポンプ４５に対する制限が解除される。

このように冷却水ポンプ制限部２０２は、排出バルブ温度が０℃よりも低い場合には、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差に応じてポンプ回転数の下限値を小さくする。このため、排出バルブ温度が０℃を超えるまでは、冷却水から排出バルブへの放熱量が大きくなるほど、冷却水ポンプ４５の回転数を高くする。

これにより、パージ弁出口水温が０℃に到達する時期を早めることができる。よって、燃料電池スタック１１０から生成水が排出される前にカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の暖機が完了するのでこれらの部品の凍結を防止することができる。

図７は、下限回転数演算部２２２に保持されるポンプ回転数マップを示す図である。図７では、横軸がスタック出口水温とパージ弁出口水温との温度差ΔＴであり、縦軸が冷却水ポンプ４５の回転数の下限値である。

ポンプ回転数マップには、スタック出口水温Ｔごとに、温度差ΔＴとポンプ回転数の下限値が互いに対応付けられている。ポンプ回転数の下限値は、例えば、実験データに基づいて設定される。ここでは、スタック出口水温Ｔ１及びＴ３のそれぞれについて温度差ΔＴとポンプ回転数の下限値との関係が示されている。

ポンプ回転数マップでは、温度差ΔＴが大きくなるほど、ポンプ回転数の下限値は小さくなる。また、同一の温度差ΔＴ１において、スタック出口水温Ｔが高くなるほど、ポンプ回転数の下限値は大きくなる。

次にヒーター４６の発熱量の下限値を高く制限して排出バルブの凍結を防止する例について説明する。

図８は、暖機制限部２００を構成するヒーター制限部２０３の詳細を示す機能ブロック図である。図８では、ヒーター制限部２０３の他に、負荷調整部３００を構成する目標発熱量設定部３０３及び暖機要求発熱量演算部３３０が示されている。

ヒーター制限部２０３は、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の凍結防止のために、ヒーター４６の発熱量の下限値を演算する。

ヒーター制限部２０３は、図６に示した冷却水ポンプ制限部２０２と同様に、スタック出口水温とパージ弁出口水温をそれぞれ取得する。

ヒーター制限部２０３は、温度差算出部２１７と、下限発熱量演算部２２３と、制限解除情報保持部２２９と、制限切替部２３３と、を備える。

温度差算出部２１７は、スタック出口水温からパージ弁出口水温を減算して温度差を算出する。温度差算出部２１７は、算出した温度差を下限発熱量演算部２２３に出力する。

下限発熱量演算部２２３は、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差に応じて、ヒーター４６の発熱量を制限する下限値を演算する。

本実施形態では、下限発熱量演算部２２３には、ヒーター発熱量マップがあらかじめ記憶されている。ヒーター発熱量マップには、スタック温度ごとに、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差と、ヒーター発熱量の下限値との関係が示されている。ヒーター発熱量マップについては図９を参照して後述する。

下限発熱量演算部２２３は、温度差算出部２１７で算出された温度差を取得すると、ヒーター発熱量マップを参照して、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差とスタック出口水温とで特定される発熱量の下限値を算出する。

下限発熱量演算部２２３は、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差が大きくなるほど、冷却水から排出バルブへの放熱量が高くなるため、発熱量の下限値を大きく設定する。

これにより、冷却水によるカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の暖機が促進されるので、燃料電池スタック１１０から生成水が排出される前に、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の温度を０℃に到達させることが可能になる。

さらに下限発熱量演算部２２３は、同一の温度差においてスタック出口水温が高くなるほど、冷却水から排出バルブへの放熱量が高くなるため、ヒーター発熱量の下限値を大きくする。

これによっても、冷却水によるカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の暖機が促進されるので、燃料電池スタック１１０から生成水が排出される前に、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の温度を０℃に到達させることが可能になる。

下限発熱量演算部２２３は、演算周期ごとに、ヒーター発熱量マップを参照してスタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差とスタック出口水温とで特定される発熱量の下限値を制限切替部２３３に出力する。

制限解除情報保持部２２９は、ヒーター４６の発熱量の制限を解除するための解除値を保持する。解除値は、暖機要求発熱量演算部３３０から出力される値よりも常に小さい値に設定される。例えば、解除値は、０（ゼロ）に設定される。

制限切替部２３３は、水温センサー５２で検出されたパージ弁出口水温、すなわち排出バルブ温度に基づいて、下限発熱量演算部２２３から出力される発熱量の下限値を目標発熱量設定部３０３に設定する。

制限切替部２３３は、排出バルブ温度が０℃以下である場合には、下限発熱量演算部２２３から発熱量の下限値を目標回転数設定部３０２に出力する。一方、制限切替部２３２は、排出バルブ温度が０℃よりも高い場合には、出力値を制限解除情報保持部２２９に保持された解除値に切り替える。

暖機要求発熱量演算部３３０は、燃料電池スタック１１０に対する要求電力に基づいて、冷却水を加熱するのに必要なヒーター４６の発熱量の要求値を目標発熱量設定部３０３に出力する。

目標発熱量設定部３０３は、暖機要求発熱量演算部３３０から出力される要求値と、制限切替部２３３から出力される制限値と、のうち小さい方の値を目標発熱量として指令部４００に設定する。

目標発熱量設定部３０３は、排出バルブ温度が０℃よりも低い場合には、制限切替部２３３からのヒーター発熱量の下限値と要求値とのうち小さい方の値を選択し、選択した値を指令部４００に出力する。すなわち、目標発熱量設定部３０３は、排出バルブ温度が０℃よりも低い温度環境では、下限発熱量演算部２２３で演算された下限値よりも低くならないようにヒーター４６の目標発熱量を高く制限する。

一方、目標発熱量設定部３０３は、排出バルブ温度が０℃以上である場合には、制限切替部２３３から出力される解除値よりも大きな要求値を選択し、ヒーター発熱量の要求値を指令部４００に出力する。すなわち、排出バルブ温度が０℃よりも高い温度環境では、ヒーター４６に対する制限が解除される。

このようにヒーター制限部２０３は、排出バルブ温度が０℃よりも低い場合には、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差に応じてヒーター発熱量の下限値を小さく設定する。このため、排出バルブ温度が０℃を超えるまでは、冷却水から排出バルブへの放熱量が大きくなるほど、ヒーター４６の発熱量を高くする。

図９は、下限発熱量演算部２２３に保持されるヒーター発熱量マップを示す図である。図９では、横軸がスタック出口水温とパージ弁出口水温との温度差ΔＴであり、縦軸がヒーター４６の発熱量の下限値である。

ヒーター発熱量マップには、スタック出口水温Ｔごとに、温度差ΔＴとヒーター発熱量の下限値が互いに対応付けられている。ヒーター発熱量の下限値は、例えば、実験データに基づいて設定される。ここでは、スタック出口水温Ｔ２及びＴ３のそれぞれについて温度差ΔＴとヒーター発熱量の下限値との関係が示されている。

ヒーター発熱量マップでは、スタック出口温度が高くなるほど、ヒーター発熱量の下限値は小さくなる。また、同一の温度差ΔＴ２において、スタック出口水温Ｔが高くなるほど、ヒーター発熱量の下限値は大きくなる。

また、本実施形態のヒーター発熱量マップでは、ヒーター発熱量よりも先に、ポンプ回転数を高くするように下限値が設定されている。これにより、ヒーター４６の消費電力を抑えている。

次に暖機制限部２００による暖機促進運転を制限する例について図面を参照して説明する。

図１０は、暖機制限部２００による燃料電池システム１００の状態変化を示すタイムチャートである。

図１０（ａ）は、スタック出口水温の変化を示す図である。図１０（ｂ）は、積算生成水量の変化を示す図である。図１０（ｃ）は、冷却水ポンプ４５の回転数の変化を示す図である。図１０（ｄ）は、ヒーター４６の発熱量の変化を示す図である。図１０（ｅ）は、燃料電池スタック１１０の発電電流の変化を示す図である。

図１０（ａ）〜図１０（ｅ）には、燃料電池システム１００の状態の変化が実線によって示され、暖機制限部２００により設定された制限値の変化が一点鎖線によって示されている。また、横軸は互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ０では、図１０（ａ）に示すように燃料電池システム１００が零下で起動され、スタック出口水温とパージ弁出口水温とが共に０℃以下である。

燃料電池システム１００の起動により、スタック発電制限部２０１は、図４に示した保水量マップを参照して、前回停止時の内部抵抗値とスタック出口水温とで特定される起動時保水量Ｗ０を取得する。

また、冷却水ポンプ制限部２０２は、図７に示したポンプ回転数制限マップを参照して、スタック出口水温及びパージ弁出口水温の温度差ΔＴとスタック出口水温Ｔとで特定されるポンプ回転数の下限値を設定する。ヒーター制限部２０３は、図９に示したヒーター発熱量制限マップを参照して、温度差ΔＴとスタック出口水温Ｔとで特定されるヒーター発熱量の下限値を設定する。

さらに、スタック発電制限部２０１は、演算周期ごとに、スタック出力電流に基づく発電生成水量を積算し、積算した生成水量を起動時保水量Ｗ０に加算して積算生成水量Ｗを算出する。そしてスタック発電制限部２０１は、図５に示した上限電流マップを参照して、積算生成水量Ｗとスタック出口水温Ｔとで特定される発電電流の上限値を設定する。

そして冷却水を利用して燃料電池スタック１１０を暖機するために、暖機制御部１６１は、図１０（ｃ）に示すように冷却水ポンプ４５の回転数を可変範囲の上限値ＭＡＸに設定した後、図１０（ｄ）に示すようにヒーター４６の発熱量を可変範囲の上限値ＭＡＸに設定する。

さらに燃料電池スタック１１０の発電に伴う自己発熱を利用して暖機するために、暖機制御部１６１は、冷却水ポンプ４５やヒーター４６などの補機を燃料電池スタック１１０と接続し、補機の駆動に必要な電力を燃料電池スタック１１０に発電させる。

燃料電池スタック１１０の自己発熱、及び、ヒーター４６による冷却水の加熱によって、図１０（ａ）に示すようにスタック出口水温は徐々に上昇する。これに対しパージ弁出口水温は、僅かに上昇する程度である。また図１０（ｂ）に示すように燃料電池スタック１１０の発電に伴い生成水量も徐々に上昇する。

時刻ｔ１では、スタック出口水温が０℃まで上昇するため、燃料電池スタック１１０に駆動モータが接続され、燃料電池スタック１１０による駆動モータへの発電が許可される。これにより、図１０（ｅ）に示すように、燃料電池スタック１１０の発電電流は、車両の走行に必要な要求値まで高く設定される。

一方、冷却水ポンプ４５及びヒーター４６については、燃料電池スタック１１０の余熱によっても冷却水が温められるので、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）に示すように設定値を徐々に下げる。これにより、補機による不要な電力消費が抑えられ、駆動モータへの電力供給を優先させることができる。特にヒーター４６については、暖機が進むにつれて冷却水による燃料電池スタック１１０への加熱効果が徐々に下がるため、下限値を徐々に下げることにより、効率的に電力消費を低減することができる。

時刻ｔ２を経過すると、図１０（ａ）に示すようにスタック出口水温とパージ弁出口水温との温度差ΔＴが大きくなるため、冷却水ポンプ制限部２０２は、図１０（ｃ）に示すように、ポンプ回転数の下限値を高くする。

具体的には、図７に示したポンプ回転数マップにより、温度差ΔＴ１とスタック出口水温Ｔ１とで特定されるポンプ回転数の下限値は、スタック出口水温Ｔ１が上昇するに従って、０（ゼロ）よりも大きな値に設定される。そしてポンプ回転数の下限値が、冷却水の循環に最低限必要な回転数よりも大きくなると、冷却水ポンプ制限部２０２は、ポンプ回転数マップに従って、冷却水ポンプ４５の目標回転数を設定範囲の上限値ＭＡＸまで大きくする。

これにより、冷却水の循環による排出バルブへの放熱量が大きくなるので、図１０（ａ）に示すようにパージ弁出口水温の昇温速度が大きくなる。

時刻ｔ３を経過しても、図１０（ａ）に示すように温度差ΔＴ１が小さくならないため、ヒーター制限部２０３は、図１０（ｄ）に示すようにヒーター発熱量の下限値を大きくする。

具体的には、図９に示したヒーター発熱量マップにより、温度差ΔＴ２とスタック出口水温Ｔ２とで特定されるポンプ回転数の下限値は、スタック出口水温Ｔ２が上昇するに従って、ゼロよりも大きな値に設定される。そしてヒーター発熱量マップの下限値がヒーター４６の設定値よりも大きくなると、冷却水ポンプ制限部２０２は、ヒーター発熱量マップに従って、ヒーター４６の目標発熱量を設定範囲の上限値ＭＡＸまで大きくする。

これにより、冷却水の加熱による排出バルブへの放熱量がさらに大きくなるので、排出バルブ温度の昇温速度がより速くなる。

時刻ｔ４を経過すると、積算生成水量Ｗ３が電解質膜で保水可能な保水量に近づくため、スタック発電制限部２０１は、図１０（ｅ）に示すように、発電電流の上限値をスタック昇温速度の制限値ＭＡＸよりも下げる。

具体的には、図４に示した発電電流制限マップにより、スタック出口水温Ｔ３と積算生成水量Ｗ３とで特定される発電電流の上限値は、積算生成水量がＷ３よりも上昇するに従って、昇温速度制限値ＭＡＸよりも小さな値に設定される。そして発電電流制限マップの上限値が、燃料電池スタック１１０の発電電流よりも小さくなると、スタック発電制限部２０１は、発電電流制限マップに従って、燃料電池スタック１１０の目標電流を暖機に必要な最低限の電流値に制限する。

これにより、図（ｂ）に示すように積算生成水量の増加量が少なくなるので、電解質膜から溢れ出した生成水が燃料電池スタック１１０から排出される時期を遅らせることができる。

その後、時刻ｔ５では、図１０（ａ）の破線に示すようにパージ弁出口水温が０℃に達するため、冷却水ポンプ制限部２０２、ヒーター制限部２０３及びスタック発電制限部２０１は、図１０（ｃ）〜図１０（ｅ）に示すように、凍結防止のための制限値をそれぞれ解除する。

これにより、排出バルブ温度が０℃まで昇温した後に、燃料電池スタック１１０から生成水が排出されることになるので、生成水による排出バルブの凍結を防止することができる。

本発明の燃料電池システム１００には、燃料電池スタック１１０の状態を制御するためにカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の部品が設けられる。具体的には、カソード調圧弁２６は、燃料電池スタック１１０からカソードガスを排出するカソードガス排出通路２５に設けられ、パージ弁３７は、気液分離装置３６でアノードガスかた分離された液水などの不純物を排出する排出通路３５１に設けられる。さらにパージ弁３８は、気液分離装置３６で不純物が除去されたアノードガスを排出する排出通路３５２に設けられる。

さらに燃料電池システム１００には、冷却水循環通路４１から分岐してカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８を通る分岐通路５１が設けられる。これにより、分岐通路５１を流れる冷却水によってカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の排出バルブを暖機する。暖機に必要な燃料電池スタック１１０への要求電力に基づいて、負荷調整部３００は、冷却水ポンプ４５、ヒーター４６や、駆動モータなどの負荷に供給する発電電力を調整する。

このため、燃料電池スタック１１０の暖機中において、燃料電池スタック１１０に要求される発電量が大きいときには、発熱量が多くなると共に多量の生成水が発生するため、早期に生成水量が電解質膜の保水量を上回る。その結果、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８の暖機が間に合わず、排出バルブ温度が未だに０℃以下の状態で、燃料電池スタック１１０から生成水が排出される。この場合には、生成水によってカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８が凍結してしまう。

本発明の態様によれば、暖機制限部２００が、燃料電池スタック１１０の暖機中に、排出バルブ温度が氷点温度よりも低い場合には、発電に伴う生成水量に基づいて、負荷に供給する発電電力を制限する。

このように、燃料電池スタック１１０の生成水量と排出バルブ温度とをモニターしているので、排出バルブ温度が０℃まで昇温する前に燃料電池スタック１１０から生成水が排出されるという状況を適切に把握できる。

このような状況で、暖機制限部２００は、暖機のための発電要求に基づく負荷を制限することにより、生成水の発生量を抑制できるので、排出通路に設けられた部品の凍結を防止することができる。

具体的には、暖機制限部２００は、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８が氷点温度よりも低いと判断したときは、積算生成水量に基づいて燃料電池スタック１１０の発電電流に上限値を設定する。

これにより、発電に伴う単位時間あたりの生成水量が少なくなるので、燃料電池スタック１１０から生成水が排出されるタイミングを遅らせることができる。このため、分岐通路５１を流れる冷却水によってカソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８を暖機する時間が長くなるので、排出バルブ温度が０℃に到達した後に生成水を燃料電池スタック１１０から排出させることができる。

また、本実施形態では、暖機制限部２００は、積算生成水量が多くなるほど、電解質膜で保水できる生成水の量が少なくなるため、発電電流の上限値を小さくする。

これにより、積算生成水量が少ないときには上限値を高くして発電による暖機を促進し、積算生成水量が保水量の上限に近づくにつれて上限値を低くして電解質膜から生成水が溢れ出す時期を遅らせることができる。したがって、排出バルブの凍結を抑制しつつ、迅速に暖機を完了させることができる。

また、本実施形態では、暖機制限部２００は、燃料電池スタック１１０のスタック温度が高くなるほど、発熱量が大きく単位時間あたりの生成水量が多くなるため、発電電流の上限値を小さくする。

これにより、スタック温度が低いときには上限値を高くして発電による暖機を促進し、スタック温度が高くなると上限値を低くして電解質膜から生成水が溢れ出す時期を遅らせることができる。したがって、生成水量の増加量に合わせて排出バルブの凍結を抑制しつつ、迅速に暖機を完了させることができる。

また、本実施形態では、暖機制限部２００は、生成水量推定部２１０と、上限電流演算部２２１と、を備える。そして生成水量推定部２１０は、燃料電池スタック１１０の保水量と発電電流とに基づいて生成水量を推定し、上限電流演算部２２１は、図５に示した上限電流マップを参照して、生成水量及びスタック温度に対応付けられた発電電流の上限値を演算する。

上限電流マップを用いることにより、発電電流の上限値を演算する処理を迅速かつ簡易にすることができる。

また、本実施形態では、生成水量推定部２１０は、起動時保水量演算部２１１と、生成水量積算部２１４とを備える。起動時保水量演算部２１１は、燃料電池スタック１１０の起動時に内部抵抗値に基づいて保水量を算出し、生成水量積算部２１４は、演算周期ごとに発電電流に基づく発電生成水量を積算し、起動時の保水量に発電生成水量を加算して積算生成水量を算出する。

これにより、内部抵抗値に基づく積算生成水量を順次演算する処理に比べて、演算処理を軽減することができる。

また、本実施形態では、暖機制限部２００は、スタック温度と排出バルブ温度との温度差に基づいて、冷却水ポンプ４５及びヒーター４６などの補機への供給電力を高く制限する。これにより、排出バルブ温度が早期に０℃に到達させることができる。

例えば、暖機制限部２００は、温度差が大きくなるほど、冷却水ポンプ４５に対する供給電力の下限値を、暖機に必要な要求電力に基づく目標電力よりも高くする。

具体的には、暖機制限部２００は、温度差が所定の閾値よりも大きいと判断したときに、冷却水ポンプ４５の回転数の下限値を目標回転数よりも高くする。なお、ポンプ回転数を大きくするほど、燃料電池スタック１１０から冷却水ポンプ４５への供給電力は大きくなる。また目標回転数は、暖機に必要な要求電力に基づいて設定される。

これにより、温度差が小さいときには、冷却水による排出バルブへの放熱量が少ないため、上限値を低くして冷却水ポンプ４５による無駄な電力消費を低減することができる。一方、温度差が大きいときには、冷却水による排出バルブへの放熱量が多くなるため、上限値を高くして暖機を促進させることができる。

このように、冷却水による排出バルブへの放熱量が比較的高い状況で、冷却水の循環を良くするので、効率よくかつ早期に排出バルブを暖機することができる。

また、暖機制限部２００は、スタック温度と排出バルブ温度との温度差が大きくなるほど、ヒーター４６への供給電力の下限値を、暖機に必要な要求電力に基づく目標電力よりも高くする。

例えば、暖機制限部２００は、温度差が所定の閾値よりも大きいと判断したときは、ヒーター４６の発熱量を目標発熱量よりも高くする。なお、ヒーター４６の発熱量を多くするほど、ヒーター４６への供給電力は大きくなる。また目標発熱量は、暖機に必要な要求電力に基づいて設定される。

これにより、温度差が小さいときには、冷却水による排出バルブへの放熱量が少ないため、上限値を低くしてヒーター４６による無駄な電力消費を低減することができる。一方、温度差が大きいときには、冷却水による排出バルブへの放熱量が多くなるため、上限値を高くして暖機を促進させることができる。したがって、効率よくかつ早期に排出バルブを暖機することができる。

また本実施形態では、暖機制限部２００は、冷却水ポンプ４５に対する供給電力を目標電力よりも高くした後に、ヒーター４６に対する供給電力を設定範囲の上限値まで高くする。

このようにヒーター４６への供給電力を高く制限する前に、冷却水ポンプ４５への供給電力を高くすることで、ヒーター４６による電力消費を抑制することができる。

また本実施形態では、暖機制限部２００は、スタック温度が氷点温度まで昇温したと判断したときは、補機への供給電力を目標電力に戻す。これにより、暖機中に冷却水ポンプ４５及びヒーター４６による無駄な発電電力の消費を抑えることができるので、燃費が向上する。

このように本発明によれば、燃料電池システム１００の補機や駆動モータなどの負荷に対する発電電力の供給量を制限することにより、生成水の増加量や、冷却水による部品への放熱量などを調整できる。したがって、燃料電池の零下起動時において排出通路に設けられた部品の凍結を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、本実施形態では排出バルブ温度としてパージ弁出口水温を利用したが、カソード調圧弁２６、パージ弁３７及びパージ弁３８のいずれかに温度センサーを設け、その検出値を排出バルブ温度として用いても良い。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００燃料電池システム
１１０燃料電池スタック（燃料電池）
４５冷却水ポンプ（補機）
４６ヒーター（補機）
４８水温センサー（燃料電池の温度）
１６１暖機制御部
２００暖機制御部
２１０生成水量推定部（算出部）
２２１上限電流演算部（保持部、上限値演算部）
３００負荷調整部

Claims

アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給すると共に負荷に応じて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池からいずれかのガスを排出する排出通路に設けられ、前記燃料電池の状態を制御するための部品と、
前記燃料電池を冷却する冷却水を通す冷却水通路から分岐して前記部品を通り、前記冷却水によって前記部品を暖機する分岐通路と、
前記燃料電池への要求電力に基づいて前記負荷を調整する負荷調整部と、
前記燃料電池の暖機中に、前記部品の温度が氷点温度よりも低いときには、発電に伴う生成水量、又は、前記部品と前記燃料電池の温度差に基づいて前記負荷調整部が調整する負荷に制限値を設定する制限部と、を含む
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制限部は、前記部品が氷点温度よりも低いと判断したときには、前記生成水量に基づいて前記負荷に供給される発電電力の上限値を前記制限値として演算する、
燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制限部は、前記燃料電池内の生成水量が多くなるほど、前記発電電力の上限値を小さくする、
燃料電池システム。
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制限部は、前記燃料電池の温度が高くなるほど、前記発電電力の上限値を小さくする、
燃料電池システム。
請求項１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において、
前記制限部は、
前記燃料電池内の生成水量ごとに、前記燃料電池の温度と前記燃料電池の発電電流の上限値とを互いに対応付けて保持する保持部と、
前記燃料電池の保水量と発電電流とに基づいて生成水量を算出する算出部と、
前記算出部により算出された生成水量と、前記燃料電池の出口水温とに基づいて、前記保持部に保持された発電電流の上限値を演算する上限値演算部と、を含む、
燃料電池システム。
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記算出部は、
前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の抵抗値に基づいて前記保水量を算出する保水量演算部と、
所定の演算周期ごとに前記燃料電池の発電電流に基づく発電生成水量を算出し、前記保水量に前記発電生成水量を加算して生成水量を算出する生成水量演算部と、を含む、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷は、前記燃料電池を前記冷却水によって暖機する補機を含み、
前記制限部は、前記温度差に基づいて前記補機への供給電力の下限値を前記制限値として演算する、
燃料電池システム。
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記補機は、前記冷却水を前記部品に循環させる冷却水ポンプであり、
前記制限部は、前記温度差が大きくなるほど、前記冷却水ポンプへの供給電力の下限値を、前記要求電力に基づく目標電力よりも高くする、
燃料電池システム。
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記補機は、前記冷却水を温めるヒーターであり、
前記制限部は、前記温度差が大きくなるほど、前記ヒーターへの供給電力の下限値を、前記要求電力に基づく目標電力よりも高くする、
燃料電池システム。
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記補機は、前記冷却水を温めるヒーターであり、
前記制限部は、前記冷却水ポンプへの供給電力を目標電力よりも高くした後に前記ヒーターへの供給電力を設定範囲の上限値まで高くする、
燃料電池システム。
請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制限部は、前記部品が氷点温度まで昇温したと判断したときには、前記負荷に供給される発電電力の制限を解除し、前記補機への供給電力を前記要求電力に基づく目標電力に設定する、
燃料電池システム。