JP7331780B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般に、発電に伴って生成水を生じるため、燃料電池内の反応ガス流路で液水が滞留する場合がある。燃料電池を搭載している燃料電池車両が氷点下の温度条件下で始動される際に、燃料電池内に滞留した液水が凍結していると、燃料電池の内部において反応ガスが十分に流通できない。それにより、燃料電池の発電に支障が生じる可能性がある。特許文献１では、燃料電池の温度が氷点下であるときに、燃料電池の発電を開始してからの発電電荷量に基づいて、燃料電池の凍結判定を行う技術が提案されている。

特開２０２０－１４３５３号公報

特許文献１の技術のように、燃料電池の低温始動時に、燃料電池内で実際に生じる現象に基づいて凍結判定をする技術は、燃料電池内を循環する冷媒温度等に基づいて間接的に凍結状態を推定する場合に比べて、正確に凍結判定を行うことができる点で優れている。一方で、低温始動時に凍結していないと判定された場合であっても、その後、外気温の低下による燃料電池の内部の反応ガスの流路の凍結や、暖機運転が行われることにより液体の水が、反応ガスの流路内の、温度が０度よりも低い箇所に移動することで凍結し、反応ガスの流路が塞がれることにより、燃料電池内の生成水が凍結する可能性が考えられる。そこで、燃料電池内で実際に生じる現象に基づく凍結状態の判断について、さらなる改良が求められた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、積層された複数の燃料電池セルを備える燃料電池と、前記燃料電池の出力電流を取得する電流センサと、前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、前記燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧センサと、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、暖機運転において、個別の前記燃料電池セルの電圧が、予め定められた値以下になった場合、前記燃料電池の出力電流を制限し、前記燃料電池システムが起動要求を受け取った後、前記燃料電池の温度が予め定められた温度以下である場合に前記暖機運転を実行し、前記暖機運転の開始後、前記燃料電池セルの電圧が、予め定められた時間、継続して、予め定められた電圧値以下であったことを含む停止条件が満たされる場合、前記燃料電池システムの運転を停止する。セル電圧計の電圧値が予め定められた時間、予め定められた電圧値以下となる場合、燃料電池内で暖機運転によって解凍することが難しい凍結が発生している可能性がある。この状態で燃料電池システムを暖気運転し続けると、発電される電力以上に電力が消費される。上記のような態様においては、そのような場合には、制御部によって燃料電池システムの運転を停止する。これにより、発電される電力以上に電力が消費され続ける事態を回避できる。
（２）上記形態の燃料電池システムによれば、前記制御部は、前記温度取得部によって取得された前記燃料電池の温度に応じて前記予め定められた時間を設定してもよい。このような態様においては、温度取得部によって取得された燃料電池の温度が、暖機運転を継続しても燃料電池内の凍結を解凍することが困難な温度であると判断された場合、早期に燃料電池システムを停止することで、燃料電池システムの電力の消費を抑制することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムによれば、前記停止条件は、前記暖機運転の開始後、前記燃料電池の出力電流を用いて算出される、前記燃料電池システムが起動要求を受け取った後の発電電荷量が、予め定められた閾値以上であることを含む。発電電荷量が予め定められた閾値以上である場合、燃料電池が、燃料電池内の凍結を解消することができる程度の熱を発生していると考えられる。それにも関わらず電圧が予め定められた電圧値以下となった場合、発電電荷量が予め定められた閾値以上となった後に、燃料電池内で凍結が生じたと考えられる。このような態様においては、その場合には燃料電池システムの運転を停止することで、発電される電力以上に電力が消費され続ける事態を回避できる。

燃料電池システムの概略構成図。 制御部によって実行される、運転可否の判定処理を表す工程図。 暖機運転開始後に、燃料電池の発電電荷量が変化する様子を表す説明図。 第２実施形態の、制御部によって実行される、運転可否の判定処理を表す工程図。 燃料電池の温度に応じた凍結判定時間を表す表。

Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００と、電圧センサ２１０と、電流センサ２２０と、二次電池２３０と、二次電池コンバータ２４０と、負荷装置２５０と、ＤＣ／ＡＣインバータ２６０と、運転スイッチ２７０と、燃料ガス供排部３００と、酸化ガス供排部４００と、冷媒循環部５００と、制御部６００と、を備えている。燃料電池システム１０では、燃料電池１００と二次電池２３０の各々が単独で、あるいは、燃料電池１００と二次電池２３０の双方から同時に、負荷装置２５０に対して電力を供給できるように構成されている。

燃料電池１００と、負荷装置２５０とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ及び配線７００を介して接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２００と二次電池コンバータ２４０とは、配線７００に対して並列に接続されている。

燃料電池１００は、外部より燃料ガスとしての水素ガスと、酸化ガスとしての酸素ガスの供給を受けて直流の電力を発生させる、発電装置である。燃料電池１００は、発電の単位モジュールである、複数の燃料電池セル１１０を、積層されたスタック構造を有している。燃料電池セル１１０において、プロトン伝導性を有する電解質膜を間に挟んで、アノードと、カソードとが配置されている。本実施形態において、燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池である。

燃料電池１００は、さらに、複数のセル電圧センサ１２０を備えている。セル電圧センサ１２０は、その両端に配された絶縁カラーを介して、燃料電池スタックに支持される。本実施形態において、セル電圧センサ１２０は、燃料電池１００において、一対の燃料電池セル１１０に対して設けられ、測定される電圧から得られる、燃料電池セル１１０一つ分の電圧を検出する。なお、図１において、一つのセル電圧センサを図示している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２００は、制御部６００の制御信号を受けて、燃料電池１００の出力状態を変更する機能を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ２００は、燃料電池１００から所定の電圧の電力を受け取って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００におけるスイッチング制御によって、電流及び電圧を変換した電力を出力する。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００は、燃料電池１００が発電した電力を、負荷装置２５０に供給する際に、負荷において利用可能な電圧に昇圧する。

電圧センサは、燃料電池１００全体の、出力電圧を取得する。電圧センサ２１０は、取得した出力電圧の測定値を示す信号を、制御部６００に出力する。電流センサ２２０は、燃料電池１００の出力電流を取得する。

二次電池コンバータ２４０は、制御部６００の制御信号を受けて、二次電池２３０の充電および放電を制御する機能を有している。二次電池コンバータ２４０は、燃料電池１００に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２００から所定の電圧の電力を受け取って、スイッチング制御によって電流及び電圧を変換した電力を、二次電池２３０に出力する。具体的には、二次電池コンバータ２４０は、二次電池２３０が発電した電力を負荷装置２５０に供給する際に、その電力の電圧を負荷において利用可能な電圧に昇圧して、負荷装置２５０に供給する。その結果、二次電池コンバータ２４０は、燃料電池１００に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２００の出力側電圧を制御部６００の制御下で設定することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００を介して、燃料電池１００の出力電圧を制御する。

二次電池コンバータ２４０は、二次電池２３０から所定の電圧の電力を受け取って、スイッチング制御によって電流及び電圧を変換した電力を、負荷装置２５０に接続されたＤＣ／ＡＣインバータ２６０に出力する。具体的には、二次電池コンバータ２４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００から受け取った電力を二次電池２３０に供給する際に、その電力の電圧を、二次電池２３０において充電可能な電圧に昇圧して、二次電池２３０に供給する。その結果、二次電池コンバータ２４０は、二次電池２３０側の目標電圧を制御部６００の制御下で設定することにより、二次電池２３０の蓄電電力を調整する。なお、二次電池コンバータ２４０は、二次電池２３０において充放電を行う必要のない場合には、二次電池２３０と配線７００との接続を切断する。

負荷装置２５０は、燃料電池１００および二次電池２３０から供給された電力により作動する。本実施形態において、負荷装置２５０とは、駆動用モータや、各種補器類等を意味する。

ＤＣ／ＡＣインバータ２６０は、燃料電池及び二次電池２３０から配線７００を介して供給される直流の電力を、三相交流の電力に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ２６０は、負荷装置２５０と電気的に接続し、三相交流電力を負荷装置２５０に供給する。

運転スイッチ２７０は、制御部６００に対して燃料電池システム１０の始動と停止とを指示する。本実施形態において、ユーザによる操作によって運転スイッチ２７０が操作される。ユーザによって運転スイッチ２７０がオンにされることで、燃料電池システム１０が制御部６００から起動要求を受け取り、水素ガスが燃料電池１００内に供給され、発電が開始される。

燃料ガス供排部３００は、燃料ガス供給系３１０と、燃料ガス循環系３２０と、燃料ガス排出系３３０とを備える。燃料ガス供給系３１０は、燃料電池１００に水素ガスを供給する。燃料ガス供給系３１０は、燃料ガスタンク３１１と、燃料ガス供給路３１２と、開閉バルブ３１３と、減圧バルブ３１４と、インジェクタ３１５と、を備えている。燃料ガスタンク３１１は、高圧の水素ガスを貯蔵する。燃料ガス供給路３１２は、燃料ガスタンク３１１内の水素ガスを、燃料電池１００に供給する。開閉バルブ３１３は、開弁状態において燃料ガスタンク３１１の水素ガスを下流へと流通させる。減圧バルブ３１４は、制御部６００の制御によって、インジェクタ３１５よりも上流側における水素ガスの圧力を調整する。インジェクタ３１５は、制御部６００によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁的に駆動する開閉弁である。インジェクタ３１５は、燃料電池１００に供給される水素ガスの供給量を調整する。

燃料ガス循環系３２０は、燃料電池１００から排出されるアノードオフガスを燃料ガス供給路３１２に循環させる。燃料ガス循環系３２０は、燃料ガス循環路３２１と、気液分離器３２２と、循環ポンプ３２３とを備える。燃料ガス循環路３２１は、燃料電池１００と燃料ガス供給路３１２とに接続されている。燃料ガス循環路３２１は、燃料ガス供給路３１２に向かうアノードオフガスが流通する配管により構成されている。気液分離器３２２は、水が混ざったアノードオフガスから液体の水を分離する。気液分離機は、燃料ガス循環路３２１に設けられている。循環ポンプ３２３は、図示しないモータを駆動させることで燃料ガス循環路３２１のアノードオフガスを燃料ガス供給路３１２に向かって循環させる。

燃料ガス排出系３３０は、アノードオフガスおよび燃料電池１００の発電によって生じた水を大気中へ排出する。燃料ガス排出系３３０は、排気排水路３３１と、排気排水弁３３２とを有する。排気排水路３３１は、水を排出する気液分離器３２２の排出口と、後述する酸化ガス排出路４２２とを連通する配管である。排気排水弁３３２は、排気排水路３３１を開閉する。排気排水弁３３２は、排気排水路３３１に配置される。排気排水弁３３２は、制御部６００により、予め定められたタイミングで指示を受けることで開弁する。これにより、排気排水弁３３２が開状態となり、アノードオフガスに含まれる不純物ガスである窒素ガスが水と共に排気排水路及び酸化ガス排出路４２２を介して外部に排出される。予め定められたタイミングとしては、例えば、気液分離器３２２の貯水量が予め定められた液水量以上となったタイミングである。

酸化ガス供排部４００は、燃料電池１００への酸素ガスの供給及び燃料電池１００からのカソードオフガスの排出を行う。酸化ガス供排部４００は、酸化ガス供給系４１０と、酸化ガス排出系４２０とを備える。酸化ガス供給系４１０は、燃料電池１００に酸素ガスを供給する。酸化ガス供給系４１０は、酸化ガス供給路４１１と、エアクリーナ４１２と、コンプレッサ４１３と、分流弁４１４と、を備える。

酸化ガス供給路４１１は、酸素ガスを燃料電池１００に供給する。酸化ガス供給路４１１は、燃料電池１００の上流側に配置され、外部と燃料電池１００のカソード側とを連通させる配管である。エアクリーナ４１２は、燃料電池１００に供給される酸素ガス中の異物を除去する。エアクリーナ４１２は、酸化ガス供給路４１１においてコンプレッサ４１３よりも上流側に設けられる。コンプレッサ４１３は、制御部６００からの指示に応じて、圧縮した空気を燃料電池１００のカソード側に向けて吐出する。コンプレッサ４１３は、燃料電池１００よりも上流側に設けられる。コンプレッサ４１３は、制御部６００からの指示に応じて動作する図示しないモータによって駆動される。分流弁４１４は、燃料電池１００への、酸素ガスの供給を許容または停止することができる。分流弁４１４は、開度が調整されることで、酸化ガス供給路４１１から燃料電池１００に向かう酸化ガスの流量と、酸化ガス供給路４１１から分岐し、後述する燃料電池１００を経由しないバイパス路４２１を流れる酸化ガスの流量とを、調整する。バイパス路４２１を流通する酸素ガスは、後述する酸化ガス排出路４２２を経由して大気中に排出される。

酸化ガス排出系４２０は、酸化ガスを排出する。酸化ガス排出系４２０は、バイパス路４２１と、酸化ガス排出路４２２と、調圧弁４２３と、を備える。酸化ガス排出路４２２は、燃料電池１００から排出された酸素ガスを含むカソードオフガスや、バイパス路４２１を流通した酸素ガスを大気中に排出する。調圧弁４２３は、開度を調整することで燃料電池１００のカソード側の流路の背圧を調整する。調圧弁４２３は、酸化ガス排出路４２２においてバイパス路４２１との接続箇所よりも上流側に設けられている。

冷媒循環部５００は、発電により発熱した燃料電池１００を冷却するための冷媒を燃料電池１００に供給する。冷媒循環部５００により循環する冷媒によって、燃料電池１００の温度が予め定められた範囲に保たれる。冷媒循環部５００は、冷媒用配管５０１と、ラジエータ５０２と、冷媒用ポンプ５０３と、冷媒用温度センサ５０４と、を備える。冷媒用配管５０１は、燃料電池１００を冷却するための冷媒を循環させるための配管である。ラジエータ５０２は、外気を取り込むファン５０５を有し、冷媒用配管５０１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。冷媒用ポンプ５０３は、制御部６００の指示によって駆動し、冷媒を燃料電池１００に送り込む。冷媒用温度センサ５０４は、燃料電池１００を循環した後に燃料電池１００から排出される冷媒の温度を検出する。本実施形態において、冷媒用温度センサ５０４は燃料電池１００の温度を取得する温度取得部として機能する。本明細書において、燃料電池１００の温度とは、冷媒用温度センサ５０４によって取得された温度をいう。なお、温度取得部として、例えば燃料電池１００の内部温度を直接検出するセンサを用いてもよい。

制御部６００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成される。制御部６００は、燃料電池システム１０が備える各種センサから検出信号を取得して、燃料電池システム１０に係る種々の制御を行う。例えば、制御部６００は、負荷から要求された電力に応じた電力が、燃料電池１００と二次電池２３０との少なくとも一方から得られるように、各部に駆動信号を出力する。具体的には、燃料電池１００から電力を得る場合には、所望の電力が燃料電池１００から得られるように、燃料ガス供排部３００や酸化ガス供排部４００からの反応ガス供給量を制御する。また、制御部６００は、燃料電池１００と二次電池２３０のうちの少なくとも一方から負荷装置２５０に対して所望の電力が供給されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００、二次電池コンバータ２４０を制御する。なお、制御部６００は、さらにタイマを備えており、種々の信号を入力した後、あるいは種々の処理を実行した後の、経過時間を計測可能となっている。

また、制御部６００は、燃料電池システム１０が低温条件下で始動する際には、暖機運転を行いつつ、燃料電池１００内の反応ガスの流路が凍結しているかを判定し、その結果に基づいて、燃料電池システム１０が運転可能であるか否かを判定している。反応ガス流路が凍結している状態で燃料電池１００の発電を行うと、燃料電池１００内で反応ガスの流路が十分に流通できないために、発電に支障が生じる可能性があるためである。

図２は、制御部６００によって実行される、運転可否の判定処理を表す工程図である。運転可否の判定処理は、燃料電池システム１０が起動要求を受け取ることにより、実行される。本実施形態では、燃料電池システム１０は、運転スイッチ２７０がオンにされることにより、制御部６００より起動要求を受け取る。燃料電池システム１０が起動要求を受け取ると、二次電池２３０による燃料電池１００の運転が開始される。

ステップＳ１００において、制御部６００によって、燃料電池１００の温度が予め定められた温度以下であるか否かが判断される。本実施形態において、予め定められた温度は０度である。大気圧がより低い高地等で燃料電池システム１０を用いる場合には、使用環境の大気圧に応じて、予め定められた温度を変更することができる。使用環境における大気圧は、燃料電池システム１０に大気圧センサを設けて直接検出してもよく、あるいは、燃料電池システム１０の位置情報に基づいて、燃料電池システム１０が位置する場所の標高から推定してもよい。

ステップＳ１００において、燃料電池１００の温度が０度よりも高いと判定されると、処理はステップＳ１１０に移行する。燃料電池１００の温度が０度以下であると判定されると、処理はステップＳ２００に移行する。

ステップＳ１１０では、制御部６００によって燃料電池システム１０の通常運転が実行され、その後処理が終了する。なお、本実施形態における燃料電池システム１０の通常運転とは、暖機運転が実行されず、燃料電池１００による発電により燃料電池システム１０の運転がなされる運転状態のことである。

ステップＳ２００では、暖機運転が開始される。暖機運転とは、燃料電池１００の温度が、定常状態として予め定められた温度範囲に達するように、燃料電池１００を積極的に昇温させる運転状態を指す。燃料電池システム１０の始動時における燃料電池１００の温度が０度以下である場合には、まず、燃料電池１００の温度が予め定められた温度である０度を超えるように、暖機運転が行われる。暖機運転によって燃料電池１００の温度が０度を超えた後は、燃料電池１００の温度が、定常状態として予め定められた温度範囲に達するように、暖機運転が行われる。燃料電池１００の温度が０度を超えた後は、燃料電池１００が０度以下のときに実行される暖機運転に比べて、より多くの電力が燃料電池１００から出力可能となる。

暖機運転としては、例えば、燃料電池１００が凍結していないと判定された燃料電池システム１０の通常運転時よりも燃料電池１００に供給する酸素ガスの流量を制御することで、燃料電池１００の発電損失を増やし、自己発熱によって燃料電池１００を昇温させる方法を採用することができる。暖機運転は、制御部６００により実行される。

ステップＳ３００では、発電電荷量が予め定められた閾値以上であるか否かの判定が、制御部６００によって行われる。燃料電池１００の発電電荷量は、燃料電池の電流センサ２２０の出力電流を用いて、制御部６００によって算出される。燃料電池１００の発電電荷量は、燃料電池システム１０が起動要求を受け取り、始動してからの時間と、燃料電池１００の出力電流との積を積分することにより、求めることができる。本実施形態では、ステップＳ３００での判断に用いる予め定められた閾値として、電荷量Ｂを用いている。電荷量Ｂは、燃料電池１００内の凍結を解消することができる程度の熱を発生するまでに燃料電池１００から得られる発電電荷量である。

図３は、燃料電池１００の暖機運転開始後に、燃料電池１００の発電電荷量が変化する様子を表す説明図である。横軸は時間を表し、縦軸は発電電荷量を表す。燃料電池システム１０の始動時の時間を、時刻ｔ１として示している。制御部は、発電開始時間である時刻ｔ１から、予め定められた経過時間Ｔ１が経過する時刻ｔ２までに、発電電荷量が電荷量Ｂを超えるか否かを判定する。

燃料電池１００内に水素ガスが流通する場合には、燃料電池１００の発電電荷量は、時間の経過と共に増加する（図３のＬ１参照）。これに対して、燃料電池１００の内部で凍結が生じており、そのために燃料電池１００に水素ガスが供給されない場合には、発電電荷量が電荷量Ａに達するまでは、水素ガスが流通する場合と同じように発電電荷量が増加するが、その後、発電電荷量の増加の程度が大きく抑えられる（図３のＬ２参照）。電荷量Ａとは、燃料電池システム１０の始動時に、燃料電池１００の内部に残留する水素ガスを用いて発電可能な電荷量を表す。Ｌ２の場合、燃料電池１００の内部に残留する水素ガスを用いて発電を行った後は、凍結によって、アノードに供給される水素ガスの量が不足する。この場合、燃料電池１００の出力電流が制御部６００によって制限され、発電電荷量の増加の程度が抑えられる。燃料電池１００の出力電流の制限については、後述する。

発電電荷量が、経過時間Ｔ１以内に電荷量Ｂ以上となったときには、ステップＳ４００に移行する（図２のＬ１参照）。そうでない場合には、ステップＳ６００へ移行する（図２のＬ２参照）。

ステップＳ４００では、暖機運転によって燃料電池１００の温度が任意の温度よりも高くなる前に、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、予め定められた電圧値Ｐ以下となるかの判定が行われる。暖機運転によって燃料電池１００の温度が任意の温度よりも高くなる前に、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、予め定められた電圧値Ｐ以下となった場合、その時点で処理はステップＳ５００に移行する。それ以外の場合、暖機運転が終了し、制御部６００によって処理が終了される。

暖機運転の際には、上述したように燃料電池１００の自己発熱が多くなるように、燃料電池１００の目標電圧及び目標電流が設定される。そして、暖機運転を行う際に、燃料電池１００内のいずれかの燃料電池セル１１０内において水素ガスの流路が凍結していると、当該燃料電池セル１１０において、アノードに供給される水素ガスが不足して、発電反応が抑制される。このような場合であっても、他の燃料電池セル１１０では発電反応が継続されるため、水素ガスの不足が生じている当該燃料電池セル１１０は、燃料電池１００において抵抗として働き、負電圧を発生することがある。このような状態で暖機運転を続行すると、燃料電池１００が損傷する可能性がある。

そのため、本実施形態において、個別の燃料電池セル１１０電圧値が、予め定められた値以下となった場合に、制御部６００によって出力電流が制限され、燃料電池１００の発電量が抑制される。本実施形態では、個別の燃料電池セル１１０の電圧値が、負電圧となった場合、制御部６００によって出力電流が制限される。出力電流は、燃料電池システム１０の運転のための電力を供給できない程度の電流値に、制限される。出力電流の制限値は、セル電圧センサ１２０によって検出された電圧値によって決定される。これにより、燃料電池１００の損傷が抑制される。

ここで、暖機運転が行われることにより、発電電荷量が電荷量Ｂよりも大きくなったと判定された後にも関わらず、負電圧が発生する場合について説明する（図２のステップＳ４００参照）。例えば、ステップＳ３００後に外気温が下がることで、燃料電池１００の内部のある燃料電池セル１１０の水素ガスの流路が凍結し、負電圧が発生する場合である。また、暖機運転が行われることにより解凍された生成水が、水素ガスの流路内の、温度が０度よりも低い箇所に移動することで再凍結し、水素ガスの流路が塞がれることにより負電圧が発生する場合が考えられる。

ステップＳ５００では、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、予め定められた時間Ｔ２の間、継続して、予め定められた電圧値Ｐ以下であった場合、処理がステップＳ６００に移行する。予め定められた時間Ｔ２を経過する前に、予め定められた電圧値である電圧値Ｐを上回った場合、燃料電池１００内の凍結が解消される可能性がある。そのため、これらの場合には処理がステップＳ４００に移行することで、暖機運転が継続される。再度のステップＳ４００において、改めて、燃料電池１００の温度が任意の温度よりも高くなる前に、燃料電池セル１１０の電圧値が電圧値Ｐ以下となるかの判定が行われる。再度のステップＳ４００において、燃料電池１００の温度が任意の温度よりも高くなる前に、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が予め定められた電圧値Ｐ以下とならなければ、処理は終了する。

ステップＳ５００の判定結果がＹｅｓである場合、暖機運転による燃料電池１００の内部の凍結の解凍が困難であると考えられる。燃料電池システム１０の停止条件が満たされていると制御部６００によって判断され、ステップＳ６００において、制御部６００によって、燃料電池システム１０が停止され、処理が終了する。

以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１００の温度が予め定められた温度以下であるときに暖機運転が開始される。燃料電池１００の発電を開始してからの発電電荷量が、経過時間Ｔ１内に、電荷量Ｂ以上となれば、暖機運転が継続される。発電電荷量が電荷量Ｂ以上となった場合であっても、例えば外気温の低下により、燃料電池１００内の水素ガスの流路が凍結し、電圧が予め定められた電圧値Ｐ以下となることがある。電圧が予め定められた時間Ｔ２の間、継続して、予め定められた電圧値Ｐ以下となる場合、燃料電池１００内で暖機運転によって解凍することが難しい凍結が発生している可能性がある。この状態で燃料電池システム１０を暖気運転し続けると、発電される電力以上に電力が消費される。そのような場合には、制御部６００によって燃料電池システム１０の運転を停止する。これにより、発電される電力以上に電力が消費され続ける事態を回避できる。その結果、次回の燃料電池システム１０の起動のための電力を残すことが可能となる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態の、制御部６００によって実行される、運転可否の判定処理を表す工程図である。第２実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示す燃料電池システム１０と同一の構成を有するため、同じ符号を用いて詳しい説明を省略する。図４に示す第２実施形態の工程図において、図２と共通する工程には、同じステップ番号を付して詳しい説明を省略する。第２実施形態では、制御部６００によって、予め定められた時間Ｔ２が、燃料電池１００の温度に応じて設定される点で、第１実施形態と異なる。

図５は、燃料電池１００の温度に応じた凍結判定時間を表す表である。第１実施形態では、ステップＳ５００における予め定められた時間Ｔ２は、燃料電池１００の温度に関わらず一定であった。第２実施形態のステップＳ５００Ｂでは、冷媒用温度センサ５０４によって取得された燃料電池１００の温度に応じて、予め定められた時間Ｔ２が設定される。

燃料電池１００の温度が、燃料電池１００内の凍結が解凍する可能性がある温度である場合は、暖機運転を継続することにより、燃料電池１００内の凍結が解凍する可能性がある。そのため、制御部６００によって、予め定められた時間Ｔ２が長く設定される。一方、燃料電池１００の温度が、凍結が解凍する可能性が低い温度である場合、暖機運転を継続しても、解凍状態が解消されない可能性がある。そのため、予め定められた時間Ｔ２を、解凍する可能性がある場合の時間よりも短くする。これにより、電力の消費を抑制することができる。本実施形態において、凍結が解凍する可能性がある温度は、１０度より大きい温度であり、凍結が解消する可能性が低い温度とは、１０度以下である。なお、燃料電池１００の凍結が解凍する可能性がある温度は、燃料電池システム１０が配置されている環境によっては、１１度よりも大きい温度、または１２度よりも大きい温度など、本実施形態と異なる温度であってもよい。

図４のステップＳ５００Ｂにおいて、燃料電池１００の温度が９度であった場合、燃料電池システム１０は制御部６００の指示により、１０秒の間、暖機運転を継続する（図５参照）。１０秒の間、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が継続して電圧値Ｐ以下とならなかった場合、暖機運転を継続することにより凍結が解消される可能性がある。その場合、暖機運転を継続し、処理は再度、ステップＳ４００に移行する。

再度のステップＳ４００でＹＥＳ判定だった場合、処理は再度、ステップＳ５００Ｂに移行する。再度のステップＳ５００Ｂにおいて、冷媒用温度センサ５０４によって取得された燃料電池１００の温度が１０．５度に上昇していた場合は、暖機運転を継続することにより、燃料電池１００内の凍結が解凍する可能性がある。そのため、予め定められた時間Ｔ２が、前回の１０秒よりも長い１００秒に設定される。そして、１００秒の間、暖機運転が継続される。また、セル電圧センサ１２０が計測した電圧値が継続して電圧値Ｐを上回るか否かの判定が、制御部６００によって行われる。

ステップＳ５００Ｂにおいて、燃料電池の温度が１０度以下であった場合、予め定められた時間Ｔ２は１０秒となり、１０度よりも大きくなると、１００秒となる。なお、予め定められた時間Ｔ２は１０度以上であった場合１００秒となり、１０度未満の場合１０秒であってもよい。

このようにして、冷媒用温度センサ５０４によって計測された燃料電池１００の温度が、暖機運転を継続することにより燃料電池１００内の凍結が解凍する可能性がある温度である場合、制御部６００によって、予め定められた時間Ｔ２を長くすることができる。これにより、暖機運転が継続されるため、燃料電池１００内の凍結が解凍する可能性が高くなる。

一方、ステップＳ５００Ｂにおいて、燃料電池１００の温度が、１０度以下であった場合、暖機運転を継続しても燃料電池１００内の凍結を解凍することが困難な可能性がある。この場合、予め定められた時間Ｔ２を１０秒よりも長くすることなく、Ｔ２の間継続して、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、電圧値Ｐ以下となるかの判定が行われる。予め定められた時間Ｔ２を長くして、暖機運転を継続することは、燃料電池システム１０の電力の消費に繋がる。そのため、燃料電池１００の凍結の解凍が困難である場合には、早期に燃料電池システム１０の運転を停止することで、燃料電池システム１０の電力の消費を抑制することができる。

Ｃ．他の実施形態
Ｃ１）上記実施形態では、燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池である。しかし、例えば燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であってもよく、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池を用いてもよい。

Ｃ２）上記実施形態では、セル電圧センサ１２０は、燃料電池１００において、一対の燃料電池セル１１０に対して設けられ、測定される電圧から得られる、燃料電池セル１１０一つ分の電圧を検出する。しかし、例えばセル電圧センサは、各燃料電池セルの出力電圧を検出してもよい。また、セル電圧センサは、一つであり、代表的な一部の燃料電池セルの電圧を検出してもよい。

Ｃ３）上記実施形態では、個別の燃料電池セル１１０電圧値が、予め定められた値以下となった場合に、制御部６００によって出力電流が制限され、燃料電池１００の発電量が抑制される。上記実施形態において個別の燃料電池セル１１０の電圧値とは、一対の燃料電池セル１１０に対して設けられ、測定される電圧から得られる、燃料電池セル１１０一つ分の電圧値のことをいう。しかし、例えば個別の燃料電池セルの電圧値とは、全ての燃料電池セルのうち、いずれか１つの燃料電池セルの電圧値のことをいってもよい。また、代表的な一部の燃料電池セルのうち、いずれか１つの燃料電池セルの電圧値のことをいってもよい。

Ｃ４）上記実施形態では、ステップＳ４００では、暖機運転によって燃料電池１００の温度が任意の温度よりも高くなる前に、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、予め定められた電圧値Ｐ以下となるかの判定が行われる。任意の温度とは、制御部によって暖機運転を終了することができると判断される温度であり、燃料電池内の凍結が解凍する温度である。任意の温度は、１５度でもよく、２０度でもよい。また、例えば任意の温度とは、燃料電池内の凍結が解凍する温度とは異なり、解凍する温度よりも５度高く設定されていてもよい。また、例えばステップＳ４００では、暖機運転によって燃料電池の温度が任意の温度よりも高くなるのに十分な時間が経過する前に、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、予め定められた電圧値Ｐ以下となるかの判定が行われてもよい。燃料電池の温度が任意の温度よりも高くなるのに十分な時間とは、３０分でもよく、１時間でもよい。

また、上記実施形態では、ステップＳ４００では、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、予め定められた電圧値Ｐ以下となった時点で、処理がステップＳ５００に移行する。しかし、例えば１０％以上の燃料電池セルの電圧値が、予め定められた電圧値Ｐ以下となった時点で、処理がステップＳ５００に移行してもよい。

Ｃ５）上記実施形態では、ステップＳ５００では、１つ以上の燃料電池セル１１０の電圧値が、予め定められた時間Ｔ２の間、継続して、予め定められた電圧値Ｐ以下であった場合、処理がステップＳ６００に移行する。しかし、例えば１０％以上の燃料電池セル１１０が予め定められた時間Ｔ２の間、継続して、予め定められた電圧値Ｐ以下であった場合、ステップＳ５００に移行してもよい。

Ｃ６）上記実施形態では、停止条件に、暖機運転の開始後、発電電荷量が予め定められた閾値以上であることが含まれる。しかし、例えば停止条件に、発電電荷量が予め定められた閾値以上であるか否かは含まれず、暖機運転開始後、燃料電池の温度が一定温度以上となることが含まれていてもよい。一定温度は、２度や５度など任意の温度であってよい。

Ｃ７）上記第２実施形態では、予め定められた時間Ｔ２は、１０度以下で１０秒であり、１０度よりも高ければ１００秒であった。しかし、例えば予め定められた時間Ｔ２は１１度以下で２０秒であり、１１度よりも高ければ５０秒であってもよい。また、例えば燃料電池の温度が１０度から５度上昇する度に、予め定められた時間Ｔ２が１０秒ずつ増加してもよい。

本開示は、上述の実施形態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、開示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…燃料電池システム、１００…燃料電池、１１０…燃料電池セル、１２０…セル電圧センサ、２００…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２１０…電圧センサ、２２０…電流センサ、２３０…二次電池、２４０…二次電池コンバータ、２５０…負荷装置、２６０…ＤＣ／ＡＣインバータ、２７０…運転スイッチ、３００…燃料ガス供排部、３１０…燃料ガス供給系、３１１…燃料ガスタンク、３１２…燃料ガス供給路、３１３…開閉バルブ、３１４…減圧バルブ、３１５…インジェクタ、３２０…燃料ガス循環系、３２１…燃料ガス循環路、３２２…気液分離器、３２３…循環ポンプ、３３０…燃料ガス排出系、３３１…排気排水路、３３２…排気排水弁、４００…酸化ガス供排部、４１０…酸化ガス供給系、４１１…酸化ガス供給路、４１２…エアクリーナ、４１３…コンプレッサ、４１４…分流弁、４２０…酸化ガス排出系、４２１…バイパス路、４２２…酸化ガス排出路、４２３…調圧弁、５００…冷媒循環部、５０１…冷媒用配管、５０２…ラジエータ、５０３…冷媒用ポンプ、５０４…冷媒用温度センサ、５０５…ファン、６００…制御部、７００…配線

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   積層された複数の燃料電池セルを備える燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電流を取得する電流センサと、
   前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、
   前記燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧センサと、
   前記燃料電池システムを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   暖機運転において、個別の前記燃料電池セルの電圧が、予め定められた値以下になった場合、前記燃料電池の出力電流を制限し、
   前記燃料電池システムが起動要求を受け取った後、前記燃料電池の温度が予め定められた温度以下である場合に前記暖機運転を実行し、
   前記暖機運転の開始後、前記燃料電池セルの電圧が、予め定められた時間、継続して、予め定められた電圧値以下であったことを含む停止条件が満たされる場合、前記燃料電池システムの運転を停止し、
   前記温度取得部によって取得された前記燃料電池の温度に応じて前記予め定められた時間を設定する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記停止条件は、
   前記暖機運転の開始後、前記燃料電池の出力電流を用いて算出される、前記燃料電池システムが起動要求を受け取った後の発電電荷量が、予め定められた閾値以上であることを含む、
   燃料電池システム。
3. 燃料電池システムであって、
   積層された複数の燃料電池セルを備える燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電流を取得する電流センサと、
   前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、
   前記燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧センサと、
   前記燃料電池システムを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   暖機運転において、個別の前記燃料電池セルの電圧が、予め定められた値以下になった場合、前記燃料電池の出力電流を制限し、
   前記燃料電池システムが起動要求を受け取った後、前記燃料電池の温度が予め定められた温度以下である場合に前記暖機運転を実行し、
   前記暖機運転の開始後、前記燃料電池セルの電圧が、予め定められた時間、継続して、予め定められた電圧値以下であったことを含む停止条件が満たされる場合、前記燃料電池システムの運転を停止し、
   前記停止条件は、
   前記暖機運転の開始後、前記燃料電池の出力電流を用いて算出される、前記燃料電池システムが起動要求を受け取った後の発電電荷量が、予め定められた閾値以上であることを含む、
   燃料電池システム。

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