燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
【課題】低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスを給排するためのガス流路と、冷媒を循環させるための冷媒流路と、内部温度を反映する温度取得部と、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、内部温度が基準温度以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、電気量取得部により取得された電気量を、対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒の循環に関する条件を含む燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスを給排するためのガス流路と、冷媒を循環させるための冷媒流路と、内部温度を反映する温度取得部と、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、内部温度が基準温度以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、電気量取得部により取得された電気量を、対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒の循環に関する条件を含む燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率の観点から所定の温度範囲において運転されることが望ましい。このような燃料電池を含む燃料電池システムには、燃料電池における電気化学反応により生成される反応熱による燃料電池の温度変化を管理するために冷却システムが備えられている。冷却システムには、燃料電池内部に備えられた冷媒流路に冷媒（例えば冷却水）を循環させるものが知られている。
【０００３】
このような冷却システムにおいて、低温（例えば氷点下）での運転開始時に、燃料電池の温度を速やかに上昇させるために、燃料電池内部の冷媒流路への冷媒の循環を停止させる技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１０００９３号公報
【特許文献３】特開２００６−１０００９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の技術では、低温環境では冷媒流路への冷媒の循環を一律に停止させるため、このような状態で燃料電池の発電を継続した場合、燃料電池のセル面内で温度差が生じ、この温度差に起因して、例えばセルの構成部材に応力が生じセルの劣化や損傷を招くおそれがあった。
【０００６】
本発明は、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを給排するためのガス流路と、
前記燃料電池を冷却する冷媒を循環させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度取得部と、
低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記温度取得部に反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、
前記電気量取得部により取得された前記電気量を、前記対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、電気量取得部は、温度取得部に反映された燃料電池の内部温度が基準温度以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得し、運転制御部は、取得された電気量を、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒の循環に関する条件を含む燃料電池を発電させる際の運転条件を決定するため、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、
前記推定反応熱量が予め定められた第１の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第１の閾値未満かつ予め定められた第２の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第２の閾値未満である場合、前記運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、推定反応熱量が予め定められた第１の閾値以上である場合、燃料電池の運転条件を冷媒流路への冷媒の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、推定反応熱量が第１の閾値未満かつ予め定められた第２の閾値以上である場合、燃料電池の運転条件を冷媒流路への冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、推定反応熱量が第２の閾値未満である場合、燃料電池の運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する。すなわち、冷媒の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制する観点から冷媒を循環させた状態で燃料電池を発電させ、冷媒の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されると十分な温度上昇が期待できないが、冷媒の循環を停止させて燃料電池を発電させれば、所定の時間内で十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、燃料電池の温度上昇を優先させて、冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を発電させることができる。この結果、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００１０】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始する前に、前記推定反応熱量と、前記第１の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、
前記推定反応熱量が前記基準値未満である場合、前記第１の運転モードと、前記第２の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第１の運転モードで燃料電池の発電を開始する前に、推定反応熱量と、第１の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、推定反応熱量が基準値未満である場合、第１の運転モードと、第２の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた運転条件で燃料電池を発電させるため、利便性を向上させることができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例２または３記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、前記燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、前記電気量取得部による前記電気量の取得の際に予め取得していた前記指標値と比較して劣っている場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第２の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第１の運転モードで燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、電気量取得部による電気量の取得の際に予め取得していた指標値と比較して劣っている場合は、燃料電池の運転条件を冷媒の循環が停止される第２の運転モードに切り替えるため、燃料電池の温度を上昇しやすくすることができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例２ないし４のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第２の運転モードで前記燃料電池の発電を開始した後、前記内部温度を定期的に取得し、前記内部温度が前記基準温度よりも高くなった場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第１の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第２の運転モードで燃料電池の発電を開始した後内部温度を定期的に取得し、内部温度が基準温度よりも高くなった場合は燃料電池の運転条件を第１の運転モードに切り替えるため、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【００１３】
［適用例６］
適用例２ないし５のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第３の運転モードである場合に、前記燃料電池の発電が不可能である旨と、前記燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な前記内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知する、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第３の運転モードである場合に、燃料電池の発電が不可能である旨と、燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知するため、利便性を向上させることができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、それらを備える移動体等の態様で実現することができる。また、本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略して構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池における単セルの構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池内の残留酸素により生じる電気量の取得方法についての説明図である。
【図４】運転モード判定制御において用いられる運転制御マップの一例を示す説明図である。
【図５】燃料電池システムにおける運転モード判定制御の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
【００１７】
Ａ．実施例：
（Ａ−１）燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、自動車（図示省略）に搭載されており、インバータ６０を介して、自動車に推進力を与えるためのモータ（図示省略）等に接続されている。燃料電池システム１０は、外部に電力を供給するために、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池２０を運転する。
【００１８】
燃料電池システム１０の燃料電池２０は、反応ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。本実施例では、燃料電池２０に供給される反応ガスには、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスである空気とが含まれる。燃料電池２０に供給された燃料ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。
【００１９】
燃料電池２０は、燃料ガスから直接的に電気エネルギを取り出す基本構造を構成する複数の単セル２１を備え、これら複数の単セル２１は、電気的に直列に積層されている。単セル２１の構成の詳細は後述する。また、燃料電池２０には、電流計測部２１７と、セル電圧計測部２１８と、内部温度計測部２１９が設けられている。
【００２０】
電流計測部２１７は、燃料電池２０の直流電源ラインＤＣＬに接続されており、燃料電池２０が出力する電流値を計測し、計測結果を制御部９０へ送信する。セル電圧計測部２１８は、燃料電池２０の各単セル２１と接続されている。セル電圧計測部２１８は、各単セル２１におけるアノード電極とカソード電極との間の電位差、すなわち、各単セル２１の電圧（セル電圧）を計測し、計測結果を制御部９０へ送信する。温度取得部としての内部温度計測部２１９は、燃料電池２０の内部温度を計測し、計測結果を制御部９０へ送信する。内部温度計測部２１９は、例えば、熱電対によって構成することができる。
【００２１】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０を運転するための構成として、水素供給部３０と、冷却部４０と、空気供給部５０と、制御部９０とを備えている。
【００２２】
水素供給部３０は、制御部９０の指示に基づいて、燃料ガスである水素を燃料電池２０に供給する。本実施例では、水素供給部３０は、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素を供給する装置であるが、例えば、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素を供給する装置であっても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素を供給する装置であっても良い。
【００２３】
水素供給部３０は、燃料電池２０への燃料ガスの供給と、燃料電池２０からの反応ガスの排出のために、アノード供給路３１０と、アノード排出路３２０とを備えている。アノード供給路３１０は、水素供給部３０から燃料電池２０に燃料ガスを流す流路を形成する。アノード供給路３１０には、アノード供給バルブ３１２が設けられている。アノード供給バルブ３１２は、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ供給される燃料ガスの供給量を調整する機能を有する。アノード排出路３２０は、燃料電池２０からアノードオフガスを流す流路を形成する。
【００２４】
空気供給部５０は、制御部９０の指示に基づいて、酸化ガスである空気を燃料電池２０に供給する。本実施例では、空気供給部５０は、ポンプで大気中から取り込んだ空気を供給する装置である。
【００２５】
空気供給部５０は、燃料電池２０への酸化ガスの供給と、燃料電池２０からの反応ガスの排出のために、カソード供給路５１０と、カソード排出路５２０とを備えている。カソード供給路５１０は、空気供給部５０から燃料電池２０に酸化ガスを流す流路を形成する。カソード供給路５１０には、カソード供給バルブ５１２が設けられている。カソード供給バルブ５１２は、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ供給される酸化ガスの供給量を調整する機能を有する。カソード排出路５２０は、燃料電池２０からカソードオフガスを流す流路を形成する。なお、なお、アノード供給路３１０と、アノード排出路３２０と、カソード供給路５１０と、カソード排出路５２０とを総称して、単に「ガス流路」とも呼ぶ。
【００２６】
冷却部４０は、燃料電池２０の内部との間で冷媒としての冷却水（不凍液）を循環させながら、冷却水の熱を大気中に発散させることで燃料電池２０を冷却する。
【００２７】
冷却部４０は、冷却水の循環のために、冷却水往路４１０と、冷却水復路４２０とを備えている。冷却水往路４１０は、冷却部４０から燃料電池２０へ冷却水を流す流路を形成する。冷却水往路４１０には、往路バルブ４１２が設けられている。往路バルブ４１２は、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ循環される冷却水の量を調整する機能を有する。冷却水復路４２０は、燃料電池２０から冷却部４０へ冷却水を流す流路を形成する。冷却水復路４２０には、復路バルブ４２２が設けられている。復路バルブ４２２、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ循環される冷却水の量を調整する機能を有する。なお、冷却水往路４１０と、冷却水復路４２０とを総称して、単に「冷媒流路」とも呼ぶ。
【００２８】
制御部９０は、燃料電池システム１０の各部を制御する機能を有する。制御部９０は、運転制御部９１０と、記憶部９２０と、インタフェース９３０とを備えている。運転制御部９１０は、燃料電池２０の運転に関する制御を行う。記憶部９２０は、各種のプログラムやデータを記憶する。インタフェース９３０は、燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続する。
【００２９】
運転制御部９１０は、燃料電池２０による発電を開始する際に実行される運転モード判定制御（詳細は後述）を行う。運転制御部９１０は、さらに、ガス制御部９１２と、冷媒制御部９１４と、電気量取得部９１６とを備えている。本実施例において、運転制御部、および、運転制御部が備える各部の機能は、記憶部９２０に予め記憶されている制御プログラム９２２に基づいて運転制御部９１０のセントラルプロセッシングユニット（Central Processing Unit、ＣＰＵ）が動作することによって実現される。なお、運転制御部９１０の少なくとも一部の機能は、運転制御部９１０の電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
【００３０】
ガス制御部９１２は、燃料電池２０による発電を開始／停止させるために、アノード電極への水素の供給およびカソード電極への空気の供給を開始／停止する。ガス制御部９１２は、燃料電池２０に対する水素および空気の供給を開始するために、インタフェース９３０を介して、水素供給部３０および空気供給部５０に対してそれぞれ制御信号を出力する。制御信号を受信した水素供給部３０は、アノード供給バルブ３１２を開放する。アノード供給バルブ３１２の開放によって、水素供給部３０から送出される水素は、アノード供給路３１０を経由して、燃料電池２０のアノード電極へ供給される。同様に、制御信号を受信した空気供給部５０は、カソード供給バルブ５１２を開放する。カソード供給バルブ５１２の開放によって、空気供給部５０から送出される空気は、カソード供給路５１０を経由して、燃料電池２０のカソード電極へ供給される。
【００３１】
ガス制御部９１２は、燃料電池２０に対する水素および空気の供給を停止するために、インタフェース９３０を介して、水素供給部３０および空気供給部５０に対してそれぞれ制御信号を出力する。制御信号を受信した水素供給部３０は、アノード供給バルブ３１２を閉鎖する。これにより、アノード電極への水素の供給は停止される。同様に、制御信号を受信した空気供給部５０は、カソード供給バルブ５１２を閉鎖する。これにより、カソード電極への空気の供給は停止される。
【００３２】
冷媒制御部９１４は、燃料電池２０への冷却水の循環を開始／停止させる。冷媒制御部９１４は、燃料電池２０への冷却水の循環を開始させるために、インタフェース９３０を介して冷却部４０に対して制御信号を出力する。制御信号を受信した冷却部４０は、往路バルブ４１２と、復路バルブ４２２とを開放した上で、冷却水を循環させる。また、冷媒制御部９１４は、燃料電池２０への冷却水の循環を停止させるために、インタフェース９３０を介して冷却部４０に対して制御信号を出力する。制御信号を受信した冷却部４０は、往路バルブ４１２と、復路バルブ４２２とを閉鎖した上で、冷却水の循環を停止させる。
【００３３】
電気量取得部９１６は、燃料電池２０に対する反応ガスの供給を停止した状態において生じる電気量を取得する機能を有する。詳細は後述する。記憶部９２０は、制御プログラム９２２と、運転制御マップ９２４とを含んでいる。運転制御マップ９２４の詳細は後述する。インタフェース９３０は、運転制御部９１０と、記憶部９２０と、燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続する。
【００３４】
（Ａ−２）燃料電池セルの構成：
図２は、燃料電池２０における単セル２１の構成を示す説明図である。燃料電池２０の単セル２１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）２４と、アノードセパレータ２３と、カソードセパレータ２５とを備える。単セル２１において、ＭＥＡ２４は、アノードセパレータ２３と、カソードセパレータ２５との間に挟持されている。
【００３５】
単セル２１のＭＥＡ２４は、アノード拡散層２４１と、アノード触媒層２４２と、電解質膜２４４と、カソード触媒層２４５と、カソード拡散層２４６とを備え、この順序で、これらの層は一体的に積層されている。アノード拡散層２４１およびアノード触媒層２４２は、電解質膜２４４のアノード側の面に積層され、アノード電極２４３を構成する。カソード拡散層２４６およびカソード触媒層２４５は、電解質膜２４４のカソード側の面に積層され、カソード電極２４７を構成する。したがって、ＭＥＡ２４における電解質膜２４４は、アノード電極２４３とカソード電極２４７との間に挟持される状態となる。なお、アノード電極２４３と、カソード電極２４７とを総称して単に「電極」とも呼ぶ。
【００３６】
ＭＥＡ２４の電解質膜２４４は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体で形成されている。本実施例では、電解質膜２４４は、プロトン伝導体の一つであるアイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。
【００３７】
ＭＥＡ２４のアノード触媒層２４２およびカソード触媒層２４５は、電解質膜２４４を介して行われる水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料で形成されている。本実施例では、アノード触媒層２４２およびカソード触媒層２４５は、白金を含有する白金系触媒を担持した炭素担体に、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂を混合した材料で形成されている。
【００３８】
ＭＥＡ２４のアノード拡散層２４１およびカソード拡散層２４６は、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料で形成されている。アノード拡散層２４１は、アノード触媒層２４２に燃料ガスを拡散させ、カソード拡散層２４６は、カソード触媒層２４５に酸化ガスを拡散させる。本実施例では、アノード拡散層２４１およびカソード拡散層２４６は、炭素製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパーに、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ））を含浸させた材料で形成されている。
【００３９】
単セル２１のアノードセパレータ２３は、ＭＥＡ２４におけるアノード側の面に燃料ガスを流すアノード流路２３２を形成し、単セル２１のカソードセパレータ２５は、ＭＥＡ２４におけるカソード側の面に酸化ガスを流すカソード流路２５２を形成する。アノードセパレータ２３およびカソードセパレータ２５は、燃料ガスや酸化ガスを流す上で十分な強度およびガス不透過性に加え導電性を有する材料（例えば、ステンレス、カーボン樹脂、導電性セラミックス）で形成されている。
【００４０】
（Ａ−３）残留酸素により生じる電気量の計測方法：
図３は、燃料電池内の残留酸素により生じる電気量の取得方法についての説明図である。低温条件下（例えば、０℃以下）において燃料電池を起動する際には、燃料電池内部に残留していた液水や発電により生じた生成水が、電極上（図２：アノード触媒層２４２、カソード触媒層２４５）、ガス流路内（図２：アノード拡散層２４１、カソード拡散層２４６）、電解質膜内（図２：電解質膜２４４）で凍結する場合がある。電極上やガス流路内で液水が凍結すると、燃料電池内におけるガス流れが妨げられて、燃料電池の発電が抑制される。また、電解質膜内で液水が凍結すると、電解質膜内におけるプロトンの移動が抑えられて、燃料電池の発電が抑制される。従って、燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させ、その際に生じた電気量を取得すれば、上述のような液水の凍結による燃料電池の発電性能の低下の度合いを知ることができる。
【００４１】
本実施例においては、具体的には、以下のような手順で、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する。
ａ）まず、電気量取得部９１６（図１）は、ガス制御部９１２と協働し、水素供給部３０および空気供給部５０に対して反応ガス（水素、空気）の送出開始を指示する。これにより、燃料電池２０の内部には、反応ガスが充填される。
ｂ）所定時間経過後、電気量取得部９１６は、ガス制御部９１２と協働し、空気供給部５０に対して空気の送出停止を指示する。
ｃ）空気の送出停止後、電気量取得部９１６は、単セル２１に対して高速で電圧をスイープさせつつ印加することで単セル２１を放電させ、電流計測部２１７により計測される電流を取得する。図３は、手順ｃに従って、ある単セル２１に対して０．０５Ｖから１Ｖまでの範囲で、２００ｍＶ／秒で電圧をスイープさせた際に計測された電流挙動を示している。図３では、縦軸に印加した電圧（Ｖ）を、横軸に計測された電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、それぞれ示している。
ｄ）電気量取得部９１６は、手順ｃにより計測された電流の積分値（すなわち、図３のハッチングを付して示す部分の面積）を、ある単セル２１についての、反応ガスとしての空気の供給を停止した状態において生じる電気量（換言すれば、残留酸素により生じる電気量）として求める。
ｅ）電気量取得部９１６は、全ての単セル２１に対して手順ｃ、ｄを実行する。そして、全ての単セル２１に対しての手順ｄで得られた電気量を積算し、その合計値を燃料電池２０の残留酸素により生じる電気量（Ｃ）として取得する。
【００４２】
（Ａ−４）運転制御マップの構成：
図４は、運転モード判定制御において用いられる運転制御マップ９２４の一例を示す説明図である。燃料電池システム１０の記憶部９２０（図１）には、図示のような運転制御マップが予め記憶されている。運転制御マップ９２４では、複数の燃料電池のサンプルを用意し、用意した複数の燃料電池のサンプルに対して実験を行い、横軸に燃料電池の残留酸素により生じる電気量（Ｃ）を、縦軸に燃料電池の発電により生じた生成水量（ｍｇ／ｃｍ２）を、それぞれプロットし、近似曲線ＡＰを求めた。
【００４３】
横軸（残留酸素により生じる電気量）の値は、燃料電池のサンプルを、低温環境下（本実施例では−１０℃）において、（Ａ−３）で説明した手順に従って発電させ、燃料電池の残留酸素により生じる電気量（Ｃ）を求めることによって得る。縦軸（生成水量）の値は、燃料電池のサンプルを、低温環境下（本実施例では−１０℃）おいて、反応ガスの供給を継続した状態で、所定の時間発電させて得られた生成水の量を測定することによって得る。
【００４４】
図４の運転制御マップ９２４からは、燃料電池の残留酸素により生じる電気量が増加するほど、低温環境下における燃料電池の生成水量も増加することがわかる。燃料電池は、各電極において水素と酸素の電気化学反応が進行して起電力が得られるが、このような電気化学反応が進行する際に、カソード側において生成水が生じるため、生成水量と、燃料電池における発電量とは比例すると言える。また、燃料電池では、その発電量が多いほど反応熱量（水素と酸素の電気化学反応によって発生する熱）も多くなることから、すなわち、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例することがわかる。このため、本実施例における運転制御マップ９２４では、燃料電池の生成水量を、燃料電池の反応熱量を知るための指標として用いている。すなわち、運転制御マップ９２４は、複数の燃料電池を低温環境下において発電させた際に生じた電気量と、複数の燃料電池を低温環境下において発電させた際に生じると推定される反応熱量との対応関係を示している。
【００４５】
以上のことから、図４の運転制御マップ９２４は、燃料電池の残留酸素により生じる電気量が増加するほど、低温環境下における燃料電池の反応熱量が増加することを示していると言える。低温環境下において所定の時間発電した場合の燃料電池の反応熱量が大きいことは、すなわち、低温環境下であっても一定の時間発電を行えば、燃料電池自身の温度がある程度高くなることが推定できることを示している。燃料電池自身の温度が高くなれば、燃料電池内部で凍結した液水を融解させることが可能となるため、上述のような液水の凍結による燃料電池の発電性能の低下を解消することができる。
【００４６】
また、燃料電池自身の温度の上昇には、冷却水の循環有無も関係する。具体的には、冷却水を循環させた状態で燃料電池を発電させると、冷却水が燃料電池内部の熱を奪いながら循環するため、燃料電池自身の温度上昇が抑制される。一方、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を発電させると、燃料電池自身の温度上昇は抑制されない反面、燃料電池のセル面内で発電しやすい部位では温度上昇が早く、発電しにくい部位（液水が多い部位等）では温度上昇が遅くなる。この結果、セル面内で温度差が生じ、この温度差に起因してセルの構成部材に応力が生じ、セルの劣化や損傷を招く可能性がある。また、セル面内の発電しやすい部分において温度上昇が激しくなり、セル面内の一部がドライアップする可能性がある。そのため、これらを繰り返すことで、燃料電池の発電性能を低下させてしまうおそれがある。
【００４７】
以上のことから、冷却水の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な燃料電池の温度上昇が推定できる場合は、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制する観点から、冷却水を循環させた状態で燃料電池を発電させることが好ましい。このため、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値Ｓ１（２０ｍｇ／ｃｍ２）以上である場合の燃料電池の運転条件は、冷却水を循環させた状態で燃料電池を運転可能な第１の運転モードと決定する。なお、本実施例における「運転条件」とは、燃料電池を発電させる際の反応ガスの供給有無、冷媒の循環有無を意味する。
【００４８】
また、冷却水の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されると十分な燃料電池の温度上昇が見込めないが、冷却水の循環を停止させて燃料電池を発電させれば、所定の時間内で燃料電池の温度が上昇すると推定できる場合は、燃料電池の温度上昇を優先させて、燃料電池内部における液水の凍結による発電性能の低下を解消することが好ましい。なお、所定の時間とは、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下が問題とならない程度の短時間を意味し、任意に定めることができる。このため、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値Ｓ１（２０ｍｇ／ｃｍ２）未満、閾値Ｓ２（８ｍｇ／ｃｍ２）以上である場合の燃料電池の運転条件は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を運転可能な第２の運転モードと決定する。
【００４９】
また、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値Ｓ２（８ｍｇ／ｃｍ２）未満である場合の燃料電池の運転条件は、発電を行わない第３の運転モードと決定する。これは、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を長時間発電させることとなり、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を招くおそれがあるためである。なお、上記閾値Ｓ１、Ｓ２は例示であり、設計により任意の値を採用することができる。なお、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例するため、図４の閾値Ｓ１は特許請求の範囲における「第１の閾値」を間接的に示し、閾値Ｓ２は特許請求の範囲における「第２の閾値」を間接的に示す。
【００５０】
（Ａ−５）燃料電池システムの動作：
図５は、燃料電池システム１０における運転モード判定制御の手順を示すフローチャートである。運転モード判定制御は、燃料電池２０による発電を開始する際（例えば、制御部９０が燃料電池２０の運転開始要求を受け付けた際）に、運転制御部９１０（図１）によって実行される処理である。
【００５１】
運転モード判定制御を開始すると、電気量取得部９１６は、ガス制御部９１２（図１）と協働して、燃料電池２０への反応ガスの送出を行う（ステップＳ１００）。詳細は、（Ａ−３）手順ａと同様である。次に、運転制御部９１０は、内部温度計測部２１９によって計測される燃料電池２０の内部温度を取得し、この内部温度が０℃よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。燃料電池２０の内部温度が０℃よりも高い場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、運転制御部９１０は通常の運転が可能であると決定し、燃料電池２０を通常通りの方法で発電を開始させた後、処理を終了する（ステップＳ１１６）。具体的には、運転制御部９１０は、ガス制御部９１２に対して、水素供給部３０および空気供給部５０からの反応ガス（水素、空気）の送出開始を要求する。さらに、運転制御部９１０は、冷媒制御部９１４に対して、冷却部４０による冷媒の循環の開始を要求する。
【００５２】
一方、燃料電池２０の内部温度が基準温度（本実施例では０℃）以下である場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、電気量取得部９１６は、燃料電池への空気の送出を停止する（ステップＳ１０４）。詳細は、（Ａ−３）手順ｂと同様である。空気の送出停止後、電気量取得部９１６は、燃料電池２０の残留酸素により生じる電気量を求める（ステップＳ１０６）。詳細は、（Ａ−３）手順ｃ〜ｅと同様である。
【００５３】
次に、運転制御部９１０は、冷却水を循環させた状態で燃料電池の運転が可能か否かを判定する（ステップＳ１０８）。具体的には、運転制御部９１０は、記憶部９２０に格納されている運転制御マップ９２４を参照し、運転制御マップ９２４の近似曲線ＡＰ（図４）と、ステップＳ１０６で求めた燃料電池２０の電気量とから推定される燃料電池２０の推定生成水量（すなわち、縦軸の値）を求める。なお、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例するため、ここで求める推定生成水量は、特許請求の範囲における「推定反応熱量」を間接的に示す。
【００５４】
この推定生成水量が閾値Ｓ１（図４）未満である場合、運転制御部９１０は、冷却水を循環させた状態での燃料電池の運転は不可能であると判定し、ステップＳ１１０へ処理を遷移させる（ステップＳ１０８：ＮＯ）。一方、推定生成水量が閾値Ｓ１以上である場合、運転制御部９１０は、冷却水を循環させた状態での燃料電池の運転が可能であると判定し、処理をステップＳ１２０へ遷移させる（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）。
【００５５】
ステップＳ１１０において、運転制御部９１０はさらに、冷却水の循環を停止させた状態であれば燃料電池の運転が可能か否かを判定する。具体的には、運転制御部９１０は、ステップＳ１０８で求めた推定生成水量が閾値Ｓ２（図４）以上であるか否かを判定する。推定生成水量が閾値Ｓ２以上である場合、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態であれば燃料電池の運転が可能であると判定し、処理をステップＳ１１２へ遷移させる（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）。
【００５６】
ステップＳ１１２において運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池２０の発電を開始させる。具体的には、運転制御部９１０は、ガス制御部９１２に対して、水素供給部３０および空気供給部５０からの反応ガス（水素、空気）の送出開始を要求する。その後、運転制御部９１０は、内部温度計測部２１９によって計測される燃料電池２０の内部温度を定期的に取得し、監視を継続する。運転制御部９１０は、燃料電池２０の内部温度が０℃よりも高くなった場合、冷媒制御部９１４に対して、冷却部４０による冷媒の循環の開始を要求した後、処理を終了する（ステップＳ１１４）。
【００５７】
一方、ステップＳ１１０において、推定生成水量が閾値Ｓ２未満である場合、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態であっても燃料電池の運転は不可能であると判定し、運転不可能である旨と、燃料電池の内部温度が何度になれば燃料電池の運転が可能になるかを、ユーザに通知する（ステップＳ１１８）。具体的には、運転制御部は、案内表示のための要求を制御部９０へ送信する。要求を受信した制御部９０は、図示しないモニタ等の表示部に対して要求された内容の表示を行うことによって、ユーザへの通知を行う。
【００５８】
このようにすれば、ユーザは、燃料電池システムがなぜ起動できないのかの原因を知ることができるため、ユーザによる故障の誤判断を抑制することができる。さらに、ユーザは、あとどれくらい待てば燃料電池システムが起動可能となるかを知ることができるため、利便性が向上する。なお、ステップＳ１１８における通知は、いずれか一方を省略しても良い。また、外気温を取得し、外気温と内部温度とを用いて起動可能となるまでに必要と推定される時間を取得し、この時間を案内することとしてもよい。
【００５９】
ステップＳ１２０において運転制御部９１０は、燃料電池２０の運転開始時間を短縮する必要があるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０８で求めた推定生成水量と、閾値Ｓ１（図４）とを比較して、推定生成水量が閾値Ｓ１よりも十分多いと判定できる場合（例えば、指定生成水量≧閾値Ｓ１の値＋所定の値）、運転制御部９１０は、始動時間を短縮する必要はないと判定し、処理をステップＳ１２２へ遷移させる（ステップＳ１２０：ＮＯ）。
【００６０】
一方、ステップＳ１０８で求めた推定生成水量と、閾値Ｓ１（図４）とを比較して、推定生成水量が閾値Ｓ１よりも十分多いと判定できない場合（例えば、指定生成水量＜閾値Ｓ１の値＋所定の値）、運転制御部９１０は、運転開始時間を短縮する必要があると一旦判定する。これは、燃料電池２０の推定生成水量が閾値Ｓ１付近にある場合は、燃料電池を発電させた際の温度上昇の幅が小さいため、燃料電池２０の運転開始までの時間（換言すれば、燃料電池２０の温度が上昇するまでの時間）、を多く要するためである。
【００６１】
従って、運転開始時間を短縮する必要があると一旦判定した場合、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池の発電を開始するか（すなわち、運転開始時間を短縮するか）、冷却水の循環を行った状態で燃料電池の発電を開始するか（すなわち、運転開始時間の短縮よりも燃料電池の発電性能低下の抑制を優先させるか）、の選択を促すための画面をユーザに表示する。具体的には、運転制御部９１０は、ステップＳ１１８と同様に、選択画面表示のための要求を制御部９０へ送信することにより行う。こうすれば、運転開始時間の短縮と、燃料電池の発電性能低下の抑制とを、ユーザは選択することができるため、利便性を向上させることができる。
【００６２】
運転開始時間を短縮することが選択された場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池２０の発電を開始させる（ステップＳ１２８）。詳細は、ステップＳ１１２と同様である。その後、運転制御部９１０は、処理をステップＳ１１４へ遷移させる。
【００６３】
一方、運転開始時間の短縮よりも燃料電池の発電性能低下の抑制を優先させることが選択された場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を行った状態で燃料電池２０の発電を開始させる（ステップＳ１２２）。詳細は、ステップＳ１１６と同様である。
【００６４】
燃料電池２０の発電開始後、運転制御部９１０は、燃料電池２０の発電性能が不十分であるか否かを判定する（ステップＳ１２４）。具体的には、運転制御部９１０は、燃料電池２０の発電開始後、所定の時間（例えば、ステップＳ１０６で求めた電気量から、燃料電池２０内部の温度が十分上昇すると予想される時間）待機した後に、電流計測部２１７によって計測される出力電流の値を取得する。そして、運転制御部９１０は、取得した出力電流値と、ステップＳ１０６で計測した電流値とを比較する。
【００６５】
取得した出力電流値のほうが小さい場合、運転制御部９１０は、ステップＳ１０８における推定と比較して発電性能が不十分であると判定する（ステップＳ１２４：ＹＥＳ）。これは、アノード触媒層２４２（図２）上やアノード拡散層２４１（図２）内で残留した液水が未だ凍結していること等に起因する。なお、ステップＳ１０６、Ｓ１０８では、空気の供給を停止した状態（すなわち、酸素が欠乏した状態）における出力電流の値を計測していることから、ステップＳ１２４ではアノード側に問題が生じていると判定することができる。
【００６６】
発電性能が不十分であると判定された場合（ステップＳ１２４：ＹＥＳ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた上で燃料電池２０の発電を継続する（ステップＳ１２６）。具体的には、運転制御部９１０は、冷媒制御部９１４に対して、冷却部４０による冷媒の循環の停止を要求した後、処理を終了する（ステップＳ１１４）。こうすれば、冷却水の循環が停止されるため、燃料電池２０の温度が上昇しやすくなるため、燃料電池２０内部で凍結した液水の融解を促進することができる。
【００６７】
一方、発電性能が不十分でないと判定された場合（ステップＳ１２４：ＮＯ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を行った状態での燃料電池２０の発電を継続する（ステップＳ１３０）。
【００６８】
以上のように、実施例によれば、電気量取得部９１６は、温度取得部（内部温度計測部２１９）に反映された燃料電池２０の内部温度が基準温度（０℃）以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池２０を発電させた際に生じる電気量を取得する。そして、運転制御部９１０は、取得された電気量を、運転制御マップ９２４（低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量を間接的に示す推定生成水量との対応関係を示すマップ）にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒（冷却水）の循環に関する条件を含む燃料電池２０を発電させる際の運転条件を決定する。
【００６９】
具体的には、運転制御部９１０は、推定反応熱量（推定生成水量）が予め定められた第１の閾値（閾値Ｓ１）以上である場合、燃料電池２０の運転条件を冷却水の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、推定反応熱量（推定生成水量）が第１の閾値（閾値Ｓ１）未満かつ予め定められた第２の閾値（閾値Ｓ２）以上である場合、燃料電池２０の運転条件を冷却水の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、推定反応熱量（推定生成水量）が第２の閾値（閾値Ｓ２）未満である場合、燃料電池２０の運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する。
【００７０】
すなわち、このようにすれば、冷却水の循環によって燃料電池２０自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、セルの劣化等による燃料電池２０の発電性能低下を抑制する観点から冷却水を循環させた状態で燃料電池２０を発電させ、冷却水の循環によって燃料電池２０自身の温度上昇が抑制されると十分な温度上昇が期待できないが、冷却水の循環を停止させて燃料電池２０を発電させれば、所定の時間内で十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、燃料電池２０の温度上昇を優先させて、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池２０を発電させることができる。この結果、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００７１】
さらに、運転制御部９１０は、第１の運転モードで燃料電池２０の発電を開始してから所定の時間経過後に、燃料電池２０の発電性能を評価するための指標値（電流計測部２１７によって計測される出力電流の値）を取得し、取得した指標値が、電気量取得部による電気量取得の際に予め取得していた指標値（図５：ステップＳ１０６で計測した電流値）と比較して劣っている場合は、燃料電池２０の運転条件を冷却水の循環が停止される第２の運転モードに切り替えるため、燃料電池２０の温度を上昇しやすくすることができる。
【００７２】
さらに、運転制御部９１０は、第２の運転モードで燃料電池２０の発電を開始した後、燃料電池２０の内部温度を定期的に取得し、内部温度が基準温度（０℃）よりも高くなった場合は、燃料電池２０の運転条件を第１の運転モードに切り替えるため、セルの劣化等による燃料電池２０の発電性能低下を抑制することができる。
【００７３】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、ソフトウェアによって実現した機能は、ハードウェアによって実現するものとしてもよい。そのほか、以下のような変形が可能である。
【００７４】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池システムの構成について例示した。しかし、これらの構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に定めることができる。
【００７５】
例えば、セル電圧センサ（図１）は、燃料電池における全ての単セルの各々のセル電圧を検出するセンサであるものとしたが、他の態様を採用することもできる。例えば、燃料電池を構成する複数の単セルのうちの代表的な一部の単セルのセル電圧を検出するものとしてもよい。
【００７６】
例えば、燃料電池の内部温度を測定するための手段として、燃料電池に直接設けられた温度センサ（内部温度センサ：図１）からの検出信号に基づいて内部温度の測定を行うものとしたが、他の態様を採用してもよい。例えば、冷却水復路に温度センサを設けた上で、温度測定部は、冷却水復路の温度センサから出力される検出信号に基づいて、セル温度を測定することとしてもよい。
【００７７】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例（Ａ−３）残留酸素により生じる電気量の計測方法では、燃料電池の残留酸素により生じる電気量を計測するための一態様について例示した。しかし、この電気量は種々の方法で計測することができる。
【００７８】
例えば、各単セルの電気量を取得後、全ての単セルの電気量を積算した合計値を求めて燃料電池の電気量としたが、各単セルが積層されたスタック全体としての電気量を取得して、燃料電池の電気量とすることもできる。
【００７９】
例えば、手順ｂにおいて、電気量取得部は空気の送出停止を指示するものとしたが、空気に加えて、水素の送出停止を指示してもよい。
【００８０】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例（Ａ−５）燃料電池システムの動作（図５）では、運転モード判定制御についての一態様を例示した。運転モード判定制御は、種々の変形が可能である。
【００８１】
例えば、運転制御マップの近似曲線ＡＰ（図４）と、燃料電池の電気量とから推定される燃料電池全体としての推定生成水量を求めて運転条件を決定することに代えて、運転制御マップの近似曲線ＡＰ（図４）と、単セルの電気量とから推定される単セルの推定生成水量を求め、これを全てのセルに対して実行し、分布を判定することによって、運転条件を決定してもよい。
【００８２】
例えば、燃料電池自身の温度上昇を促すための手段として、冷却水を停止するものとしたが、燃料電池の温度上昇を促すために採用し得る冷媒の循環に関する条件は、任意に定めることができる。具体的には、冷却水の循環有無に代えて、循環させる冷却水の流量を調整することとしてもよい。このようにすれば、冷却水の循環による燃料電池の温度上昇抑制効果を小さくしつつ、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【００８３】
例えば、ステップＳ１０２、Ｓ１１４における基準温度は０℃（すなわち、氷点下）であるものとした。しかし、この基準温度は任意に設定することができる。
【００８４】
例えば、ステップＳ１１８では、第３の運転モードにおける処理の一態様（すなわち、燃料電池の運転を行わず、運転不可能な旨を通知する）について例示した。しかし、第３の運転モードにおいては、他の処理態様も採用することができる。例えば、ヒータ等を用いて暖めた冷却水を循環させつつ、燃料電池の運転を行うこととしてもよい。
【００８５】
例えば、ステップＳ１２４では、水素欠を判定するために用いる燃料電池の発電性能を評価するための指標値は、電流計測部によって計測される出力電流の値であるものとした。しかし、この指標値には他の値（例えば、燃料電池の内部温度と燃料電池の発電開始からの経過時間）を採用することができる。
【００８６】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池システムは、燃料電池で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるものとしたが、他の態様を採用することもできる。例えば、燃料電池システムを、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
【符号の説明】
【００８７】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…単セル
２３…アノードセパレータ
２５…カソードセパレータ
３０…水素供給部
４０…冷却部
５０…空気供給部
６０…インバータ
９０…制御部
２１７…電流計測部
２１８…セル電圧計測部
２１９…内部温度計測部
２３２…アノード流路
２４１…アノード拡散層
２４２…アノード触媒層
２４３…アノード電極
２４４…電解質膜
２４５…カソード触媒層
２４６…カソード拡散層
２４７…カソード電極
２５２…カソード流路
３１０…アノード供給路
３１２…アノード供給バルブ
３２０…アノード排出路
４１０…冷却水往路
４１２…往路バルブ
４２０…冷却水復路
４２２…復路バルブ
５１０…カソード供給路
５１２…カソード供給バルブ
５２０…カソード排出路
９１０…運転制御部
９１２…ガス制御部
９１４…冷媒制御部
９１６…電気量取得部
９２０…記憶部
９２２…制御プログラム
９２４…運転制御マップ
９３０…インタフェース
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率の観点から所定の温度範囲において運転されることが望ましい。このような燃料電池を含む燃料電池システムには、燃料電池における電気化学反応により生成される反応熱による燃料電池の温度変化を管理するために冷却システムが備えられている。冷却システムには、燃料電池内部に備えられた冷媒流路に冷媒（例えば冷却水）を循環させるものが知られている。
【０００３】
このような冷却システムにおいて、低温（例えば氷点下）での運転開始時に、燃料電池の温度を速やかに上昇させるために、燃料電池内部の冷媒流路への冷媒の循環を停止させる技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１０００９３号公報
【特許文献３】特開２００６−１０００９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の技術では、低温環境では冷媒流路への冷媒の循環を一律に停止させるため、このような状態で燃料電池の発電を継続した場合、燃料電池のセル面内で温度差が生じ、この温度差に起因して、例えばセルの構成部材に応力が生じセルの劣化や損傷を招くおそれがあった。
【０００６】
本発明は、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを給排するためのガス流路と、
前記燃料電池を冷却する冷媒を循環させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度取得部と、
低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記温度取得部に反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、
前記電気量取得部により取得された前記電気量を、前記対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、電気量取得部は、温度取得部に反映された燃料電池の内部温度が基準温度以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得し、運転制御部は、取得された電気量を、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒の循環に関する条件を含む燃料電池を発電させる際の運転条件を決定するため、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、
前記推定反応熱量が予め定められた第１の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第１の閾値未満かつ予め定められた第２の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第２の閾値未満である場合、前記運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、推定反応熱量が予め定められた第１の閾値以上である場合、燃料電池の運転条件を冷媒流路への冷媒の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、推定反応熱量が第１の閾値未満かつ予め定められた第２の閾値以上である場合、燃料電池の運転条件を冷媒流路への冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、推定反応熱量が第２の閾値未満である場合、燃料電池の運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する。すなわち、冷媒の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制する観点から冷媒を循環させた状態で燃料電池を発電させ、冷媒の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されると十分な温度上昇が期待できないが、冷媒の循環を停止させて燃料電池を発電させれば、所定の時間内で十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、燃料電池の温度上昇を優先させて、冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を発電させることができる。この結果、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００１０】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始する前に、前記推定反応熱量と、前記第１の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、
前記推定反応熱量が前記基準値未満である場合、前記第１の運転モードと、前記第２の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第１の運転モードで燃料電池の発電を開始する前に、推定反応熱量と、第１の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、推定反応熱量が基準値未満である場合、第１の運転モードと、第２の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた運転条件で燃料電池を発電させるため、利便性を向上させることができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例２または３記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、前記燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、前記電気量取得部による前記電気量の取得の際に予め取得していた前記指標値と比較して劣っている場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第２の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第１の運転モードで燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、電気量取得部による電気量の取得の際に予め取得していた指標値と比較して劣っている場合は、燃料電池の運転条件を冷媒の循環が停止される第２の運転モードに切り替えるため、燃料電池の温度を上昇しやすくすることができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例２ないし４のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第２の運転モードで前記燃料電池の発電を開始した後、前記内部温度を定期的に取得し、前記内部温度が前記基準温度よりも高くなった場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第１の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第２の運転モードで燃料電池の発電を開始した後内部温度を定期的に取得し、内部温度が基準温度よりも高くなった場合は燃料電池の運転条件を第１の運転モードに切り替えるため、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【００１３】
［適用例６］
適用例２ないし５のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第３の運転モードである場合に、前記燃料電池の発電が不可能である旨と、前記燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な前記内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知する、燃料電池システム。
このような構成とすれば、運転制御部は、第３の運転モードである場合に、燃料電池の発電が不可能である旨と、燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知するため、利便性を向上させることができる。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、それらを備える移動体等の態様で実現することができる。また、本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略して構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池における単セルの構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池内の残留酸素により生じる電気量の取得方法についての説明図である。
【図４】運転モード判定制御において用いられる運転制御マップの一例を示す説明図である。
【図５】燃料電池システムにおける運転モード判定制御の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
【００１７】
Ａ．実施例：
（Ａ−１）燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、自動車（図示省略）に搭載されており、インバータ６０を介して、自動車に推進力を与えるためのモータ（図示省略）等に接続されている。燃料電池システム１０は、外部に電力を供給するために、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池２０を運転する。
【００１８】
燃料電池システム１０の燃料電池２０は、反応ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。本実施例では、燃料電池２０に供給される反応ガスには、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスである空気とが含まれる。燃料電池２０に供給された燃料ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、水素と酸素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池２０の外部に排出される。
【００１９】
燃料電池２０は、燃料ガスから直接的に電気エネルギを取り出す基本構造を構成する複数の単セル２１を備え、これら複数の単セル２１は、電気的に直列に積層されている。単セル２１の構成の詳細は後述する。また、燃料電池２０には、電流計測部２１７と、セル電圧計測部２１８と、内部温度計測部２１９が設けられている。
【００２０】
電流計測部２１７は、燃料電池２０の直流電源ラインＤＣＬに接続されており、燃料電池２０が出力する電流値を計測し、計測結果を制御部９０へ送信する。セル電圧計測部２１８は、燃料電池２０の各単セル２１と接続されている。セル電圧計測部２１８は、各単セル２１におけるアノード電極とカソード電極との間の電位差、すなわち、各単セル２１の電圧（セル電圧）を計測し、計測結果を制御部９０へ送信する。温度取得部としての内部温度計測部２１９は、燃料電池２０の内部温度を計測し、計測結果を制御部９０へ送信する。内部温度計測部２１９は、例えば、熱電対によって構成することができる。
【００２１】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０を運転するための構成として、水素供給部３０と、冷却部４０と、空気供給部５０と、制御部９０とを備えている。
【００２２】
水素供給部３０は、制御部９０の指示に基づいて、燃料ガスである水素を燃料電池２０に供給する。本実施例では、水素供給部３０は、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素を供給する装置であるが、例えば、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素を供給する装置であっても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素を供給する装置であっても良い。
【００２３】
水素供給部３０は、燃料電池２０への燃料ガスの供給と、燃料電池２０からの反応ガスの排出のために、アノード供給路３１０と、アノード排出路３２０とを備えている。アノード供給路３１０は、水素供給部３０から燃料電池２０に燃料ガスを流す流路を形成する。アノード供給路３１０には、アノード供給バルブ３１２が設けられている。アノード供給バルブ３１２は、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ供給される燃料ガスの供給量を調整する機能を有する。アノード排出路３２０は、燃料電池２０からアノードオフガスを流す流路を形成する。
【００２４】
空気供給部５０は、制御部９０の指示に基づいて、酸化ガスである空気を燃料電池２０に供給する。本実施例では、空気供給部５０は、ポンプで大気中から取り込んだ空気を供給する装置である。
【００２５】
空気供給部５０は、燃料電池２０への酸化ガスの供給と、燃料電池２０からの反応ガスの排出のために、カソード供給路５１０と、カソード排出路５２０とを備えている。カソード供給路５１０は、空気供給部５０から燃料電池２０に酸化ガスを流す流路を形成する。カソード供給路５１０には、カソード供給バルブ５１２が設けられている。カソード供給バルブ５１２は、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ供給される酸化ガスの供給量を調整する機能を有する。カソード排出路５２０は、燃料電池２０からカソードオフガスを流す流路を形成する。なお、なお、アノード供給路３１０と、アノード排出路３２０と、カソード供給路５１０と、カソード排出路５２０とを総称して、単に「ガス流路」とも呼ぶ。
【００２６】
冷却部４０は、燃料電池２０の内部との間で冷媒としての冷却水（不凍液）を循環させながら、冷却水の熱を大気中に発散させることで燃料電池２０を冷却する。
【００２７】
冷却部４０は、冷却水の循環のために、冷却水往路４１０と、冷却水復路４２０とを備えている。冷却水往路４１０は、冷却部４０から燃料電池２０へ冷却水を流す流路を形成する。冷却水往路４１０には、往路バルブ４１２が設けられている。往路バルブ４１２は、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ循環される冷却水の量を調整する機能を有する。冷却水復路４２０は、燃料電池２０から冷却部４０へ冷却水を流す流路を形成する。冷却水復路４２０には、復路バルブ４２２が設けられている。復路バルブ４２２、制御部９０の指示に応じて、燃料電池２０へ循環される冷却水の量を調整する機能を有する。なお、冷却水往路４１０と、冷却水復路４２０とを総称して、単に「冷媒流路」とも呼ぶ。
【００２８】
制御部９０は、燃料電池システム１０の各部を制御する機能を有する。制御部９０は、運転制御部９１０と、記憶部９２０と、インタフェース９３０とを備えている。運転制御部９１０は、燃料電池２０の運転に関する制御を行う。記憶部９２０は、各種のプログラムやデータを記憶する。インタフェース９３０は、燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続する。
【００２９】
運転制御部９１０は、燃料電池２０による発電を開始する際に実行される運転モード判定制御（詳細は後述）を行う。運転制御部９１０は、さらに、ガス制御部９１２と、冷媒制御部９１４と、電気量取得部９１６とを備えている。本実施例において、運転制御部、および、運転制御部が備える各部の機能は、記憶部９２０に予め記憶されている制御プログラム９２２に基づいて運転制御部９１０のセントラルプロセッシングユニット（Central Processing Unit、ＣＰＵ）が動作することによって実現される。なお、運転制御部９１０の少なくとも一部の機能は、運転制御部９１０の電子回路がその物理的な回路構成に基づいて動作することによって実現されても良い。
【００３０】
ガス制御部９１２は、燃料電池２０による発電を開始／停止させるために、アノード電極への水素の供給およびカソード電極への空気の供給を開始／停止する。ガス制御部９１２は、燃料電池２０に対する水素および空気の供給を開始するために、インタフェース９３０を介して、水素供給部３０および空気供給部５０に対してそれぞれ制御信号を出力する。制御信号を受信した水素供給部３０は、アノード供給バルブ３１２を開放する。アノード供給バルブ３１２の開放によって、水素供給部３０から送出される水素は、アノード供給路３１０を経由して、燃料電池２０のアノード電極へ供給される。同様に、制御信号を受信した空気供給部５０は、カソード供給バルブ５１２を開放する。カソード供給バルブ５１２の開放によって、空気供給部５０から送出される空気は、カソード供給路５１０を経由して、燃料電池２０のカソード電極へ供給される。
【００３１】
ガス制御部９１２は、燃料電池２０に対する水素および空気の供給を停止するために、インタフェース９３０を介して、水素供給部３０および空気供給部５０に対してそれぞれ制御信号を出力する。制御信号を受信した水素供給部３０は、アノード供給バルブ３１２を閉鎖する。これにより、アノード電極への水素の供給は停止される。同様に、制御信号を受信した空気供給部５０は、カソード供給バルブ５１２を閉鎖する。これにより、カソード電極への空気の供給は停止される。
【００３２】
冷媒制御部９１４は、燃料電池２０への冷却水の循環を開始／停止させる。冷媒制御部９１４は、燃料電池２０への冷却水の循環を開始させるために、インタフェース９３０を介して冷却部４０に対して制御信号を出力する。制御信号を受信した冷却部４０は、往路バルブ４１２と、復路バルブ４２２とを開放した上で、冷却水を循環させる。また、冷媒制御部９１４は、燃料電池２０への冷却水の循環を停止させるために、インタフェース９３０を介して冷却部４０に対して制御信号を出力する。制御信号を受信した冷却部４０は、往路バルブ４１２と、復路バルブ４２２とを閉鎖した上で、冷却水の循環を停止させる。
【００３３】
電気量取得部９１６は、燃料電池２０に対する反応ガスの供給を停止した状態において生じる電気量を取得する機能を有する。詳細は後述する。記憶部９２０は、制御プログラム９２２と、運転制御マップ９２４とを含んでいる。運転制御マップ９２４の詳細は後述する。インタフェース９３０は、運転制御部９１０と、記憶部９２０と、燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続する。
【００３４】
（Ａ−２）燃料電池セルの構成：
図２は、燃料電池２０における単セル２１の構成を示す説明図である。燃料電池２０の単セル２１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」とも呼ぶ）２４と、アノードセパレータ２３と、カソードセパレータ２５とを備える。単セル２１において、ＭＥＡ２４は、アノードセパレータ２３と、カソードセパレータ２５との間に挟持されている。
【００３５】
単セル２１のＭＥＡ２４は、アノード拡散層２４１と、アノード触媒層２４２と、電解質膜２４４と、カソード触媒層２４５と、カソード拡散層２４６とを備え、この順序で、これらの層は一体的に積層されている。アノード拡散層２４１およびアノード触媒層２４２は、電解質膜２４４のアノード側の面に積層され、アノード電極２４３を構成する。カソード拡散層２４６およびカソード触媒層２４５は、電解質膜２４４のカソード側の面に積層され、カソード電極２４７を構成する。したがって、ＭＥＡ２４における電解質膜２４４は、アノード電極２４３とカソード電極２４７との間に挟持される状態となる。なお、アノード電極２４３と、カソード電極２４７とを総称して単に「電極」とも呼ぶ。
【００３６】
ＭＥＡ２４の電解質膜２４４は、プロトン伝導性を有するプロトン伝導体で形成されている。本実施例では、電解質膜２４４は、プロトン伝導体の一つであるアイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。
【００３７】
ＭＥＡ２４のアノード触媒層２４２およびカソード触媒層２４５は、電解質膜２４４を介して行われる水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒機能に加え、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料で形成されている。本実施例では、アノード触媒層２４２およびカソード触媒層２４５は、白金を含有する白金系触媒を担持した炭素担体に、プロトン伝導体であるアイオノマ樹脂を混合した材料で形成されている。
【００３８】
ＭＥＡ２４のアノード拡散層２４１およびカソード拡散層２４６は、ガス透過性、導電性、撥水性を有する材料で形成されている。アノード拡散層２４１は、アノード触媒層２４２に燃料ガスを拡散させ、カソード拡散層２４６は、カソード触媒層２４５に酸化ガスを拡散させる。本実施例では、アノード拡散層２４１およびカソード拡散層２４６は、炭素製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパーに、撥水性を有する撥水樹脂（例えば、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ））を含浸させた材料で形成されている。
【００３９】
単セル２１のアノードセパレータ２３は、ＭＥＡ２４におけるアノード側の面に燃料ガスを流すアノード流路２３２を形成し、単セル２１のカソードセパレータ２５は、ＭＥＡ２４におけるカソード側の面に酸化ガスを流すカソード流路２５２を形成する。アノードセパレータ２３およびカソードセパレータ２５は、燃料ガスや酸化ガスを流す上で十分な強度およびガス不透過性に加え導電性を有する材料（例えば、ステンレス、カーボン樹脂、導電性セラミックス）で形成されている。
【００４０】
（Ａ−３）残留酸素により生じる電気量の計測方法：
図３は、燃料電池内の残留酸素により生じる電気量の取得方法についての説明図である。低温条件下（例えば、０℃以下）において燃料電池を起動する際には、燃料電池内部に残留していた液水や発電により生じた生成水が、電極上（図２：アノード触媒層２４２、カソード触媒層２４５）、ガス流路内（図２：アノード拡散層２４１、カソード拡散層２４６）、電解質膜内（図２：電解質膜２４４）で凍結する場合がある。電極上やガス流路内で液水が凍結すると、燃料電池内におけるガス流れが妨げられて、燃料電池の発電が抑制される。また、電解質膜内で液水が凍結すると、電解質膜内におけるプロトンの移動が抑えられて、燃料電池の発電が抑制される。従って、燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させ、その際に生じた電気量を取得すれば、上述のような液水の凍結による燃料電池の発電性能の低下の度合いを知ることができる。
【００４１】
本実施例においては、具体的には、以下のような手順で、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する。
ａ）まず、電気量取得部９１６（図１）は、ガス制御部９１２と協働し、水素供給部３０および空気供給部５０に対して反応ガス（水素、空気）の送出開始を指示する。これにより、燃料電池２０の内部には、反応ガスが充填される。
ｂ）所定時間経過後、電気量取得部９１６は、ガス制御部９１２と協働し、空気供給部５０に対して空気の送出停止を指示する。
ｃ）空気の送出停止後、電気量取得部９１６は、単セル２１に対して高速で電圧をスイープさせつつ印加することで単セル２１を放電させ、電流計測部２１７により計測される電流を取得する。図３は、手順ｃに従って、ある単セル２１に対して０．０５Ｖから１Ｖまでの範囲で、２００ｍＶ／秒で電圧をスイープさせた際に計測された電流挙動を示している。図３では、縦軸に印加した電圧（Ｖ）を、横軸に計測された電流の電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）を、それぞれ示している。
ｄ）電気量取得部９１６は、手順ｃにより計測された電流の積分値（すなわち、図３のハッチングを付して示す部分の面積）を、ある単セル２１についての、反応ガスとしての空気の供給を停止した状態において生じる電気量（換言すれば、残留酸素により生じる電気量）として求める。
ｅ）電気量取得部９１６は、全ての単セル２１に対して手順ｃ、ｄを実行する。そして、全ての単セル２１に対しての手順ｄで得られた電気量を積算し、その合計値を燃料電池２０の残留酸素により生じる電気量（Ｃ）として取得する。
【００４２】
（Ａ−４）運転制御マップの構成：
図４は、運転モード判定制御において用いられる運転制御マップ９２４の一例を示す説明図である。燃料電池システム１０の記憶部９２０（図１）には、図示のような運転制御マップが予め記憶されている。運転制御マップ９２４では、複数の燃料電池のサンプルを用意し、用意した複数の燃料電池のサンプルに対して実験を行い、横軸に燃料電池の残留酸素により生じる電気量（Ｃ）を、縦軸に燃料電池の発電により生じた生成水量（ｍｇ／ｃｍ２）を、それぞれプロットし、近似曲線ＡＰを求めた。
【００４３】
横軸（残留酸素により生じる電気量）の値は、燃料電池のサンプルを、低温環境下（本実施例では−１０℃）において、（Ａ−３）で説明した手順に従って発電させ、燃料電池の残留酸素により生じる電気量（Ｃ）を求めることによって得る。縦軸（生成水量）の値は、燃料電池のサンプルを、低温環境下（本実施例では−１０℃）おいて、反応ガスの供給を継続した状態で、所定の時間発電させて得られた生成水の量を測定することによって得る。
【００４４】
図４の運転制御マップ９２４からは、燃料電池の残留酸素により生じる電気量が増加するほど、低温環境下における燃料電池の生成水量も増加することがわかる。燃料電池は、各電極において水素と酸素の電気化学反応が進行して起電力が得られるが、このような電気化学反応が進行する際に、カソード側において生成水が生じるため、生成水量と、燃料電池における発電量とは比例すると言える。また、燃料電池では、その発電量が多いほど反応熱量（水素と酸素の電気化学反応によって発生する熱）も多くなることから、すなわち、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例することがわかる。このため、本実施例における運転制御マップ９２４では、燃料電池の生成水量を、燃料電池の反応熱量を知るための指標として用いている。すなわち、運転制御マップ９２４は、複数の燃料電池を低温環境下において発電させた際に生じた電気量と、複数の燃料電池を低温環境下において発電させた際に生じると推定される反応熱量との対応関係を示している。
【００４５】
以上のことから、図４の運転制御マップ９２４は、燃料電池の残留酸素により生じる電気量が増加するほど、低温環境下における燃料電池の反応熱量が増加することを示していると言える。低温環境下において所定の時間発電した場合の燃料電池の反応熱量が大きいことは、すなわち、低温環境下であっても一定の時間発電を行えば、燃料電池自身の温度がある程度高くなることが推定できることを示している。燃料電池自身の温度が高くなれば、燃料電池内部で凍結した液水を融解させることが可能となるため、上述のような液水の凍結による燃料電池の発電性能の低下を解消することができる。
【００４６】
また、燃料電池自身の温度の上昇には、冷却水の循環有無も関係する。具体的には、冷却水を循環させた状態で燃料電池を発電させると、冷却水が燃料電池内部の熱を奪いながら循環するため、燃料電池自身の温度上昇が抑制される。一方、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を発電させると、燃料電池自身の温度上昇は抑制されない反面、燃料電池のセル面内で発電しやすい部位では温度上昇が早く、発電しにくい部位（液水が多い部位等）では温度上昇が遅くなる。この結果、セル面内で温度差が生じ、この温度差に起因してセルの構成部材に応力が生じ、セルの劣化や損傷を招く可能性がある。また、セル面内の発電しやすい部分において温度上昇が激しくなり、セル面内の一部がドライアップする可能性がある。そのため、これらを繰り返すことで、燃料電池の発電性能を低下させてしまうおそれがある。
【００４７】
以上のことから、冷却水の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な燃料電池の温度上昇が推定できる場合は、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制する観点から、冷却水を循環させた状態で燃料電池を発電させることが好ましい。このため、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値Ｓ１（２０ｍｇ／ｃｍ２）以上である場合の燃料電池の運転条件は、冷却水を循環させた状態で燃料電池を運転可能な第１の運転モードと決定する。なお、本実施例における「運転条件」とは、燃料電池を発電させる際の反応ガスの供給有無、冷媒の循環有無を意味する。
【００４８】
また、冷却水の循環によって燃料電池自身の温度上昇が抑制されると十分な燃料電池の温度上昇が見込めないが、冷却水の循環を停止させて燃料電池を発電させれば、所定の時間内で燃料電池の温度が上昇すると推定できる場合は、燃料電池の温度上昇を優先させて、燃料電池内部における液水の凍結による発電性能の低下を解消することが好ましい。なお、所定の時間とは、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下が問題とならない程度の短時間を意味し、任意に定めることができる。このため、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値Ｓ１（２０ｍｇ／ｃｍ２）未満、閾値Ｓ２（８ｍｇ／ｃｍ２）以上である場合の燃料電池の運転条件は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を運転可能な第２の運転モードと決定する。
【００４９】
また、後述の運転モード判定制御において、低温環境下における生成水量が閾値Ｓ２（８ｍｇ／ｃｍ２）未満である場合の燃料電池の運転条件は、発電を行わない第３の運転モードと決定する。これは、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を長時間発電させることとなり、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を招くおそれがあるためである。なお、上記閾値Ｓ１、Ｓ２は例示であり、設計により任意の値を採用することができる。なお、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例するため、図４の閾値Ｓ１は特許請求の範囲における「第１の閾値」を間接的に示し、閾値Ｓ２は特許請求の範囲における「第２の閾値」を間接的に示す。
【００５０】
（Ａ−５）燃料電池システムの動作：
図５は、燃料電池システム１０における運転モード判定制御の手順を示すフローチャートである。運転モード判定制御は、燃料電池２０による発電を開始する際（例えば、制御部９０が燃料電池２０の運転開始要求を受け付けた際）に、運転制御部９１０（図１）によって実行される処理である。
【００５１】
運転モード判定制御を開始すると、電気量取得部９１６は、ガス制御部９１２（図１）と協働して、燃料電池２０への反応ガスの送出を行う（ステップＳ１００）。詳細は、（Ａ−３）手順ａと同様である。次に、運転制御部９１０は、内部温度計測部２１９によって計測される燃料電池２０の内部温度を取得し、この内部温度が０℃よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１０２）。燃料電池２０の内部温度が０℃よりも高い場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、運転制御部９１０は通常の運転が可能であると決定し、燃料電池２０を通常通りの方法で発電を開始させた後、処理を終了する（ステップＳ１１６）。具体的には、運転制御部９１０は、ガス制御部９１２に対して、水素供給部３０および空気供給部５０からの反応ガス（水素、空気）の送出開始を要求する。さらに、運転制御部９１０は、冷媒制御部９１４に対して、冷却部４０による冷媒の循環の開始を要求する。
【００５２】
一方、燃料電池２０の内部温度が基準温度（本実施例では０℃）以下である場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、電気量取得部９１６は、燃料電池への空気の送出を停止する（ステップＳ１０４）。詳細は、（Ａ−３）手順ｂと同様である。空気の送出停止後、電気量取得部９１６は、燃料電池２０の残留酸素により生じる電気量を求める（ステップＳ１０６）。詳細は、（Ａ−３）手順ｃ〜ｅと同様である。
【００５３】
次に、運転制御部９１０は、冷却水を循環させた状態で燃料電池の運転が可能か否かを判定する（ステップＳ１０８）。具体的には、運転制御部９１０は、記憶部９２０に格納されている運転制御マップ９２４を参照し、運転制御マップ９２４の近似曲線ＡＰ（図４）と、ステップＳ１０６で求めた燃料電池２０の電気量とから推定される燃料電池２０の推定生成水量（すなわち、縦軸の値）を求める。なお、燃料電池における生成水量と、燃料電池における反応熱量とは比例するため、ここで求める推定生成水量は、特許請求の範囲における「推定反応熱量」を間接的に示す。
【００５４】
この推定生成水量が閾値Ｓ１（図４）未満である場合、運転制御部９１０は、冷却水を循環させた状態での燃料電池の運転は不可能であると判定し、ステップＳ１１０へ処理を遷移させる（ステップＳ１０８：ＮＯ）。一方、推定生成水量が閾値Ｓ１以上である場合、運転制御部９１０は、冷却水を循環させた状態での燃料電池の運転が可能であると判定し、処理をステップＳ１２０へ遷移させる（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）。
【００５５】
ステップＳ１１０において、運転制御部９１０はさらに、冷却水の循環を停止させた状態であれば燃料電池の運転が可能か否かを判定する。具体的には、運転制御部９１０は、ステップＳ１０８で求めた推定生成水量が閾値Ｓ２（図４）以上であるか否かを判定する。推定生成水量が閾値Ｓ２以上である場合、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態であれば燃料電池の運転が可能であると判定し、処理をステップＳ１１２へ遷移させる（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）。
【００５６】
ステップＳ１１２において運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池２０の発電を開始させる。具体的には、運転制御部９１０は、ガス制御部９１２に対して、水素供給部３０および空気供給部５０からの反応ガス（水素、空気）の送出開始を要求する。その後、運転制御部９１０は、内部温度計測部２１９によって計測される燃料電池２０の内部温度を定期的に取得し、監視を継続する。運転制御部９１０は、燃料電池２０の内部温度が０℃よりも高くなった場合、冷媒制御部９１４に対して、冷却部４０による冷媒の循環の開始を要求した後、処理を終了する（ステップＳ１１４）。
【００５７】
一方、ステップＳ１１０において、推定生成水量が閾値Ｓ２未満である場合、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態であっても燃料電池の運転は不可能であると判定し、運転不可能である旨と、燃料電池の内部温度が何度になれば燃料電池の運転が可能になるかを、ユーザに通知する（ステップＳ１１８）。具体的には、運転制御部は、案内表示のための要求を制御部９０へ送信する。要求を受信した制御部９０は、図示しないモニタ等の表示部に対して要求された内容の表示を行うことによって、ユーザへの通知を行う。
【００５８】
このようにすれば、ユーザは、燃料電池システムがなぜ起動できないのかの原因を知ることができるため、ユーザによる故障の誤判断を抑制することができる。さらに、ユーザは、あとどれくらい待てば燃料電池システムが起動可能となるかを知ることができるため、利便性が向上する。なお、ステップＳ１１８における通知は、いずれか一方を省略しても良い。また、外気温を取得し、外気温と内部温度とを用いて起動可能となるまでに必要と推定される時間を取得し、この時間を案内することとしてもよい。
【００５９】
ステップＳ１２０において運転制御部９１０は、燃料電池２０の運転開始時間を短縮する必要があるか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０８で求めた推定生成水量と、閾値Ｓ１（図４）とを比較して、推定生成水量が閾値Ｓ１よりも十分多いと判定できる場合（例えば、指定生成水量≧閾値Ｓ１の値＋所定の値）、運転制御部９１０は、始動時間を短縮する必要はないと判定し、処理をステップＳ１２２へ遷移させる（ステップＳ１２０：ＮＯ）。
【００６０】
一方、ステップＳ１０８で求めた推定生成水量と、閾値Ｓ１（図４）とを比較して、推定生成水量が閾値Ｓ１よりも十分多いと判定できない場合（例えば、指定生成水量＜閾値Ｓ１の値＋所定の値）、運転制御部９１０は、運転開始時間を短縮する必要があると一旦判定する。これは、燃料電池２０の推定生成水量が閾値Ｓ１付近にある場合は、燃料電池を発電させた際の温度上昇の幅が小さいため、燃料電池２０の運転開始までの時間（換言すれば、燃料電池２０の温度が上昇するまでの時間）、を多く要するためである。
【００６１】
従って、運転開始時間を短縮する必要があると一旦判定した場合、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池の発電を開始するか（すなわち、運転開始時間を短縮するか）、冷却水の循環を行った状態で燃料電池の発電を開始するか（すなわち、運転開始時間の短縮よりも燃料電池の発電性能低下の抑制を優先させるか）、の選択を促すための画面をユーザに表示する。具体的には、運転制御部９１０は、ステップＳ１１８と同様に、選択画面表示のための要求を制御部９０へ送信することにより行う。こうすれば、運転開始時間の短縮と、燃料電池の発電性能低下の抑制とを、ユーザは選択することができるため、利便性を向上させることができる。
【００６２】
運転開始時間を短縮することが選択された場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池２０の発電を開始させる（ステップＳ１２８）。詳細は、ステップＳ１１２と同様である。その後、運転制御部９１０は、処理をステップＳ１１４へ遷移させる。
【００６３】
一方、運転開始時間の短縮よりも燃料電池の発電性能低下の抑制を優先させることが選択された場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を行った状態で燃料電池２０の発電を開始させる（ステップＳ１２２）。詳細は、ステップＳ１１６と同様である。
【００６４】
燃料電池２０の発電開始後、運転制御部９１０は、燃料電池２０の発電性能が不十分であるか否かを判定する（ステップＳ１２４）。具体的には、運転制御部９１０は、燃料電池２０の発電開始後、所定の時間（例えば、ステップＳ１０６で求めた電気量から、燃料電池２０内部の温度が十分上昇すると予想される時間）待機した後に、電流計測部２１７によって計測される出力電流の値を取得する。そして、運転制御部９１０は、取得した出力電流値と、ステップＳ１０６で計測した電流値とを比較する。
【００６５】
取得した出力電流値のほうが小さい場合、運転制御部９１０は、ステップＳ１０８における推定と比較して発電性能が不十分であると判定する（ステップＳ１２４：ＹＥＳ）。これは、アノード触媒層２４２（図２）上やアノード拡散層２４１（図２）内で残留した液水が未だ凍結していること等に起因する。なお、ステップＳ１０６、Ｓ１０８では、空気の供給を停止した状態（すなわち、酸素が欠乏した状態）における出力電流の値を計測していることから、ステップＳ１２４ではアノード側に問題が生じていると判定することができる。
【００６６】
発電性能が不十分であると判定された場合（ステップＳ１２４：ＹＥＳ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を停止させた上で燃料電池２０の発電を継続する（ステップＳ１２６）。具体的には、運転制御部９１０は、冷媒制御部９１４に対して、冷却部４０による冷媒の循環の停止を要求した後、処理を終了する（ステップＳ１１４）。こうすれば、冷却水の循環が停止されるため、燃料電池２０の温度が上昇しやすくなるため、燃料電池２０内部で凍結した液水の融解を促進することができる。
【００６７】
一方、発電性能が不十分でないと判定された場合（ステップＳ１２４：ＮＯ）、運転制御部９１０は、冷却水の循環を行った状態での燃料電池２０の発電を継続する（ステップＳ１３０）。
【００６８】
以上のように、実施例によれば、電気量取得部９１６は、温度取得部（内部温度計測部２１９）に反映された燃料電池２０の内部温度が基準温度（０℃）以下である場合に、反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池２０を発電させた際に生じる電気量を取得する。そして、運転制御部９１０は、取得された電気量を、運転制御マップ９２４（低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量を間接的に示す推定生成水量との対応関係を示すマップ）にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた推定反応熱量から冷媒（冷却水）の循環に関する条件を含む燃料電池２０を発電させる際の運転条件を決定する。
【００６９】
具体的には、運転制御部９１０は、推定反応熱量（推定生成水量）が予め定められた第１の閾値（閾値Ｓ１）以上である場合、燃料電池２０の運転条件を冷却水の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、推定反応熱量（推定生成水量）が第１の閾値（閾値Ｓ１）未満かつ予め定められた第２の閾値（閾値Ｓ２）以上である場合、燃料電池２０の運転条件を冷却水の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、推定反応熱量（推定生成水量）が第２の閾値（閾値Ｓ２）未満である場合、燃料電池２０の運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する。
【００７０】
すなわち、このようにすれば、冷却水の循環によって燃料電池２０自身の温度上昇が抑制されたとしても十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、セルの劣化等による燃料電池２０の発電性能低下を抑制する観点から冷却水を循環させた状態で燃料電池２０を発電させ、冷却水の循環によって燃料電池２０自身の温度上昇が抑制されると十分な温度上昇が期待できないが、冷却水の循環を停止させて燃料電池２０を発電させれば、所定の時間内で十分な温度上昇が期待できる程度の反応熱量が推定される場合は、燃料電池２０の温度上昇を優先させて、冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池２０を発電させることができる。この結果、低温環境において、セルの劣化を抑制しつつ、内部温度を速やかに上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００７１】
さらに、運転制御部９１０は、第１の運転モードで燃料電池２０の発電を開始してから所定の時間経過後に、燃料電池２０の発電性能を評価するための指標値（電流計測部２１７によって計測される出力電流の値）を取得し、取得した指標値が、電気量取得部による電気量取得の際に予め取得していた指標値（図５：ステップＳ１０６で計測した電流値）と比較して劣っている場合は、燃料電池２０の運転条件を冷却水の循環が停止される第２の運転モードに切り替えるため、燃料電池２０の温度を上昇しやすくすることができる。
【００７２】
さらに、運転制御部９１０は、第２の運転モードで燃料電池２０の発電を開始した後、燃料電池２０の内部温度を定期的に取得し、内部温度が基準温度（０℃）よりも高くなった場合は、燃料電池２０の運転条件を第１の運転モードに切り替えるため、セルの劣化等による燃料電池２０の発電性能低下を抑制することができる。
【００７３】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、ソフトウェアによって実現した機能は、ハードウェアによって実現するものとしてもよい。そのほか、以下のような変形が可能である。
【００７４】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池システムの構成について例示した。しかし、これらの構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において任意に定めることができる。
【００７５】
例えば、セル電圧センサ（図１）は、燃料電池における全ての単セルの各々のセル電圧を検出するセンサであるものとしたが、他の態様を採用することもできる。例えば、燃料電池を構成する複数の単セルのうちの代表的な一部の単セルのセル電圧を検出するものとしてもよい。
【００７６】
例えば、燃料電池の内部温度を測定するための手段として、燃料電池に直接設けられた温度センサ（内部温度センサ：図１）からの検出信号に基づいて内部温度の測定を行うものとしたが、他の態様を採用してもよい。例えば、冷却水復路に温度センサを設けた上で、温度測定部は、冷却水復路の温度センサから出力される検出信号に基づいて、セル温度を測定することとしてもよい。
【００７７】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例（Ａ−３）残留酸素により生じる電気量の計測方法では、燃料電池の残留酸素により生じる電気量を計測するための一態様について例示した。しかし、この電気量は種々の方法で計測することができる。
【００７８】
例えば、各単セルの電気量を取得後、全ての単セルの電気量を積算した合計値を求めて燃料電池の電気量としたが、各単セルが積層されたスタック全体としての電気量を取得して、燃料電池の電気量とすることもできる。
【００７９】
例えば、手順ｂにおいて、電気量取得部は空気の送出停止を指示するものとしたが、空気に加えて、水素の送出停止を指示してもよい。
【００８０】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例（Ａ−５）燃料電池システムの動作（図５）では、運転モード判定制御についての一態様を例示した。運転モード判定制御は、種々の変形が可能である。
【００８１】
例えば、運転制御マップの近似曲線ＡＰ（図４）と、燃料電池の電気量とから推定される燃料電池全体としての推定生成水量を求めて運転条件を決定することに代えて、運転制御マップの近似曲線ＡＰ（図４）と、単セルの電気量とから推定される単セルの推定生成水量を求め、これを全てのセルに対して実行し、分布を判定することによって、運転条件を決定してもよい。
【００８２】
例えば、燃料電池自身の温度上昇を促すための手段として、冷却水を停止するものとしたが、燃料電池の温度上昇を促すために採用し得る冷媒の循環に関する条件は、任意に定めることができる。具体的には、冷却水の循環有無に代えて、循環させる冷却水の流量を調整することとしてもよい。このようにすれば、冷却水の循環による燃料電池の温度上昇抑制効果を小さくしつつ、セルの劣化等による燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【００８３】
例えば、ステップＳ１０２、Ｓ１１４における基準温度は０℃（すなわち、氷点下）であるものとした。しかし、この基準温度は任意に設定することができる。
【００８４】
例えば、ステップＳ１１８では、第３の運転モードにおける処理の一態様（すなわち、燃料電池の運転を行わず、運転不可能な旨を通知する）について例示した。しかし、第３の運転モードにおいては、他の処理態様も採用することができる。例えば、ヒータ等を用いて暖めた冷却水を循環させつつ、燃料電池の運転を行うこととしてもよい。
【００８５】
例えば、ステップＳ１２４では、水素欠を判定するために用いる燃料電池の発電性能を評価するための指標値は、電流計測部によって計測される出力電流の値であるものとした。しかし、この指標値には他の値（例えば、燃料電池の内部温度と燃料電池の発電開始からの経過時間）を採用することができる。
【００８６】
Ｂ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池システムは、燃料電池で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるものとしたが、他の態様を採用することもできる。例えば、燃料電池システムを、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。
【符号の説明】
【００８７】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…単セル
２３…アノードセパレータ
２５…カソードセパレータ
３０…水素供給部
４０…冷却部
５０…空気供給部
６０…インバータ
９０…制御部
２１７…電流計測部
２１８…セル電圧計測部
２１９…内部温度計測部
２３２…アノード流路
２４１…アノード拡散層
２４２…アノード触媒層
２４３…アノード電極
２４４…電解質膜
２４５…カソード触媒層
２４６…カソード拡散層
２４７…カソード電極
２５２…カソード流路
３１０…アノード供給路
３１２…アノード供給バルブ
３２０…アノード排出路
４１０…冷却水往路
４１２…往路バルブ
４２０…冷却水復路
４２２…復路バルブ
５１０…カソード供給路
５１２…カソード供給バルブ
５２０…カソード排出路
９１０…運転制御部
９１２…ガス制御部
９１４…冷媒制御部
９１６…電気量取得部
９２０…記憶部
９２２…制御プログラム
９２４…運転制御マップ
９３０…インタフェース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを給排するためのガス流路と、
前記燃料電池を冷却する冷媒を循環させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度取得部と、
低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記温度取得部に反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、
前記電気量取得部により取得された前記電気量を、前記対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、
前記推定反応熱量が予め定められた第１の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第１の閾値未満かつ予め定められた第２の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第２の閾値未満である場合、前記運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始する前に、前記推定反応熱量と、前記第１の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、
前記推定反応熱量が前記基準値未満である場合、前記第１の運転モードと、前記第２の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、前記燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、前記電気量取得部による前記電気量の取得の際に予め取得していた前記指標値と比較して劣っている場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第２の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第２の運転モードで前記燃料電池の発電を開始した後、前記内部温度を定期的に取得し、前記内部温度が前記基準温度よりも高くなった場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第１の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第３の運転モードである場合に、前記燃料電池の発電が不可能である旨と、前記燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な前記内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知する、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の内部温度を反映する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）により反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）により取得された前記電気量を、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記燃料電池を冷却するために用いる冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる工程と、
を含む、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを給排するためのガス流路と、
前記燃料電池を冷却する冷媒を循環させるための冷媒流路と、
前記燃料電池の内部温度を反映する温度取得部と、
低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記温度取得部に反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する電気量取得部と、
前記電気量取得部により取得された前記電気量を、前記対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる運転制御部と、を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、
前記推定反応熱量が予め定められた第１の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を行った状態で発電させる第１の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第１の閾値未満かつ予め定められた第２の閾値以上である場合、前記運転条件を前記冷媒流路への前記冷媒の循環を停止させた状態で発電させる第２の運転モードと決定し、
前記推定反応熱量が前記第２の閾値未満である場合、前記運転条件を発電を行わない第３の運転モードと決定する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始する前に、前記推定反応熱量と、前記第１の閾値に所定の値を加算した基準値とを比較し、
前記推定反応熱量が前記基準値未満である場合、前記第１の運転モードと、前記第２の運転モードとのうちから、実行すべき運転条件の選択を受け付け、受け付けた前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第１の運転モードで前記燃料電池の発電を開始してから所定の時間経過後に、前記燃料電池の発電性能を評価するための指標値を取得し、取得した指標値が、前記電気量取得部による前記電気量の取得の際に予め取得していた前記指標値と比較して劣っている場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第２の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第２の運転モードで前記燃料電池の発電を開始した後、前記内部温度を定期的に取得し、前記内部温度が前記基準温度よりも高くなった場合は、前記燃料電池の運転条件を前記第１の運転モードに切り替える、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２ないし５のいずれか一項記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御部は、さらに、
前記第３の運転モードである場合に、前記燃料電池の発電が不可能である旨と、前記燃料電池の運転条件を他の運転条件に切り替えるために必要な前記内部温度の上昇値と、のうちの少なくともいずれか一方を外部に通知する、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の内部温度を反映する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）により反映された前記内部温度が基準温度以下である場合に、前記燃料電池への反応ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池を発電させた際に生じる電気量を取得する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）により取得された前記電気量を、低温環境下において反応ガスの供給を停止した状態で燃料電池を発電させた際の電気量と、反応熱量との対応関係にあてはめることによって導かれる推定反応熱量を求め、求めた前記推定反応熱量から前記燃料電池を冷却するために用いる冷媒の循環に関する条件を含む前記燃料電池を発電させる際の運転条件を決定し、決定した前記運転条件に従って前記燃料電池を発電させる工程と、
を含む、燃料電池システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−６４５３９（Ｐ２０１２−６４５３９Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９９０４（Ｐ２０１０−２０９９０４）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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