燃料電池システム
【課題】燃料電池内の残水の再凍結を抑制し、再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制する。
【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムであって、ポンプが設けられ、燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、電解質膜の他方の面上に、カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、制御部は、少なくとも燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、内部温度が水の凝固点以下となる低温時において燃料電池の発電を開始した後、ポンプを起動する場合において、燃料電池内の水が凍結しないように、温度推定部による推定温度に基づいてポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含む。
【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムであって、ポンプが設けられ、燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、電解質膜の他方の面上に、カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、制御部は、少なくとも燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、内部温度が水の凝固点以下となる低温時において燃料電池の発電を開始した後、ポンプを起動する場合において、燃料電池内の水が凍結しないように、温度推定部による推定温度に基づいてポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、氷点（０℃）下の起動時に冷媒の循環を停止して、燃料電池を起動するものが知られている（特許文献１参照）。この構成では、氷点下における燃料電池の起動時に、冷媒が燃料電池の内部に送られて、燃料電池の内部温度の上昇が抑えられてしまうことを防止することができる。また、この構成では、燃料電池の内部温度が氷点を超えると、内部温度の上昇に応じた冷媒の循環を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、冷媒の循環の開始により燃料電池の内部に送られた低音（氷点下）の冷媒によって、燃料電池の内部の温度が一時的に低下するため、起動前に燃料電池内に残っていた水(以下、「残水」とも呼ぶ)が燃料電池の内部温度の上昇で一旦溶融したにも関わらず、再凍結することがあった。残水が再凍結すると、燃料電池内の触媒層の劣化を招く可能性があった。特に、燃料電池内における水（以下「生成水」とも呼ぶ）)の生成は、主にカソードで生成されるので、カソードの触媒層の劣化の可能性が高い。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池の起動後に、燃料電池内に残っていた残水の再凍結を抑制し、再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
ポンプが設けられ、前記燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面上に、前記カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、
前記制御部は、
少なくとも前記燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて前記燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、
前記内部温度が水の凝固点以下となる低温時において前記燃料電池の発電を開始した後、前記ポンプを起動する場合において、前記温度推定部による推定温度が水の凝固点以下とならないように、前記推定温度に基づいて前記ポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含む
ことを特徴とする燃料電池システム。
適用例１に記載の燃料電池システムでは、温度推定部による燃料電池内の推定温度が、水の凝固点以下とならないように、推定温度に基づいてポンプの起動および停止を制御している。このため、燃料電池の起動前に、燃料電池内に残っていた残水の再凍結を抑制することができ、残水の再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプ制御部は、
前記ポンプの起動によって前記冷媒流通部から前記燃料電池内に前記冷媒が流入することにより、前記ポンプの起動直前の前記温度推定部による起動前推定温度が前記ポンプの起動直後の前記温度推定部による起動後推定温度まで低下したとしても、前記起動後推定温度が前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された起動温度まで、前記起動前推定温度が上昇した場合に、前記ポンプを起動させ、
前記ポンプの起動中の前記温度推定部による起動中推定温度が、前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された停止温度まで低下した場合に、前記ポンプを停止させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
適用例２記載の燃料電池システムによれば、推定温度が水の凝固点以下とならないように、ポンプの起動と停止を容易に制御することが可能である。
【０００９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法などの種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の内部構成を示す説明図である。
【図３】起動時冷却制御ルーチンについて示すフローチャートである。
【図４】起動時冷却制御により変化する燃料電池の内部温度について示す説明図である。
【図５】第１の温度センサーの検出値に応じて規定される判定基準値について示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．冷却制御：
Ｃ．変形例：
【００１２】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載された例を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、空気供給部３０と、水素供給部４０と、冷却部５０と、電力制御部６０と、制御部７０と、を備えている。
【００１３】
燃料電池２０は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。発生した電力は、出力端子２１，２２から出力される。この出力端子２１，２２には、燃料電池２０の出力電圧を検出する電圧センサー６６が並列に設けられ、燃料電池２０の出力電流を検出する電流センサー６７が直列に設けられている。
【００１４】
図２は、燃料電池２０の内部構成を示す説明図である。燃料電池２０は、燃料電池セル２５が複数積層されたスタック構造を有する。各燃料電池セル２５は、基本的に、膜電極接合体（（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）２５をカソード側のセパレータ２９Ｃおよびアノード側のセパレータ２９Ａで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」とも呼ぶ）と、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」とも呼ぶ）とで構成される。ＭＥＡ２５とセパレータ２９Ｃ，２９Ａとの間には、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）２７Ｃ，２７Ａおよびガス流路層２８Ｃ，２８Ａが設けられている。カソード側のガス流路層２８Ｃは、酸化ガス（「カソードガス」とも呼ぶ）としての酸素（Ｏ２）を含む空気を流すための多孔体で構成される。同様に、アノード側のガス流路層２８Ａは、燃料ガス（「アノードガス」とも呼ぶ）としての水素（Ｈ２）を流すための多孔体で構成される。ただし。ガス流路層に代えて、セパレータのガス拡散層側の面に溝状のガス流路が形成される構造の場合もある。なお、カソードのセパレータ２９Ｃの他の燃料電池セルのアノードのセパレータ２９Ａに接する面には溝状の冷媒流路２９Ｌが形成されている。
【００１５】
ここで、図２に示すように、アノード側のガス拡散層２７Ａはカソード側のガス拡散層２７Ｃに比べて積層方向の厚さが薄くなっており、同じ部材を用いていることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。また、アノード側のセパレータ２９Ａもカソード側のセパレータ２９Ｃに比べて厚さが薄くなっており、同様に同じ部材であることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。さらにまた、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて積層方向の厚さが薄くなっており、同じ部材を用いていることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。また、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて多孔体の気孔率が大きくなっているので、これによっても、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて熱容量が小さくなっている。以上のことから、燃料電池セル２５のアノード側の熱容量Ｃａｎはカソード側の熱容量Ｃｃａに比べて小さくなっている。なお、このアノード側の熱容量とカソード側の熱容量との違いについては、さらに後述する。
【００１６】
燃料電池２０は、上記スタック構造の複数の燃料電池セル２５をターミナルを挟んでエンドプレートによって挟持される構造を有する（不図示）。また、燃料電池２０は、テンションプレートがボルトによって各エンドプレートに結合されることによって、各燃料電池セル２５を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている（不図示）。
【００１７】
空気供給部３０は、配管３２を介して燃料電池２０の各燃料電池セル２５のカソードに、カソードガス（酸化ガス）としての空気を供給する。そして、各燃料電池セル２５のカソードから排出された空気（「カソードオフガス」とも呼ぶ）を、配管３４を介して大気中に放出する。空気供給部３０は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。
【００１８】
水素供給部４０は、配管４２を介して燃料電池２０の各燃料電池セル２５のアノードに、アノードガス（燃料ガス）としての水素ガスを供給する。そして、各燃料電池セル２５のアノードから排出された水素排出ガス（「アノードオフガス」とも呼ぶ）を、配管４４を介して排出される空気とともに大気中に放出する。なお、この水素オフガスを水素ガスの供給口に戻して循環して利用する場合もある。水素供給部４０は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。
【００１９】
冷却部５０は、冷却ファン５５を備えたラジエータ５４と、燃料電池２０内に形成された冷媒の流路とラジエータ５４内に形成された冷媒の流路とを接続して両者の間で冷媒を循環させる循環流路５２と、循環流路５２を介して冷媒を循環させる駆動源となる冷却ポンプ５６と、を備えている。すなわち、これらの各部は、燃料電池２０の内部に設けた冷媒の流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部を構成している。この冷却部５０により、燃料電池２０内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させることによって、発熱を伴う電気化学反応が進行する燃料電池において、内部の温度を、電気化学反応が良好に進行する範囲内に保つことが可能となる。なお、本実施例では、氷点下（０℃以下）の寒冷（低温）な条件下において燃料電池システム１０を起動するときも、システム内部で冷却水を循環させることができるように、氷点下でも凍結しない不凍液を冷媒としても用いている。
【００２０】
ラジエータ５４は、燃料電池２０に供給されて燃料電池２０内で熱交換することによって昇温した冷却水を、降温させるための装置である。ラジエータ５４は、上記昇温した冷却水を導く流路を備える熱交換部として形成されている。この熱交換部は、外気が通過可能な構造を有し、この通過する外気と上記流路内の冷却水との間で熱交換可能となっている。ラジエータ５４が備える冷却ファン５５を駆動すると、この冷却ファン５５によって生じる冷却風は、上記熱交換部を通過すると共に、上記流路内を流れる冷却水から熱量を奪い、これによって冷媒の積極的な冷却が行なわれる。冷却ファン５５は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。
【００２１】
冷却ポンプ５６は、上述したように、循環流路５２内で冷媒が循環する駆動力を発生する装置であり、駆動電圧の大きさによってその駆動量（冷却ポンプの回転数あるいは冷媒のポンピング量）を調節可能となっている。本実施例では、冷却ポンプ５６の駆動電圧の大きさを変化させることによって、冷媒のポンピング量を調節し、それによって燃料電池２０内の温度分布状態の平均化を図っている。したがって、燃料電池システム１０に備える冷却ポンプ５６としては、燃料電池２０の出力電流が激しく変動し、燃料電池２０における発熱量が変化する場合にも、燃料電池２０内の温度分布状態を充分に平均化できるように、冷媒の流量を調節することが可能な性能を有することが望ましい。この冷却ポンプ５６は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動電圧の大きさが制御される。
【００２２】
なお、循環流路５２の燃料電池２０の入口には、第１の温度センサー５７が設けられており、燃料電池２０内に流入させる冷媒の温度を検出することができる。また、循環流路５２の燃料電池２０の出口には、第２の温度センサー５８が設けられており、燃料電池２０から流出される冷媒の温度を検出することができる。上記温度センサー５７，５８は、制御部７０に接続されており、それぞれの検出値が制御部７０に与えられて、制御部７０による制御動作に利用される。
【００２３】
電力制御部６０は、モータ６２や、出力制御部６１、二次電池６４や、二次電池制御部６３、図示しない各種の補機制御部等を備える。出力制御部６１および二次電池制御部６３は、燃料電池２０の出力端子２１，２２に接続されている。二次電池制御部６３は、燃料電池２０からの出力電力を二次電池６４に充電し、二次電池６４からの電力の出力（放電）を制御する。出力制御部６１は、燃料電池２０あるいは二次電池６４からの電力のモータ６２への供給を制御する。また、モータ６２は、燃料電池システム１０が搭載される車両の主動力源を構成する。この出力制御部６１は、例えば、モータ６２が三相交流モータの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。補機制御部は、たとえば、空気供給部３０や水素供給部４０内の図示しないポンプやコンプレッサ、冷却ポンプ５６、冷却ファン５５等の各種装置を駆動するための電力の供給を制御する。
【００２４】
制御部７０は、ＣＰＵ７１と、メモリ７２と、入出力部７３と、を主に備えるコンピュータシステムとして構成されている。入出力部７３は、各種アクチュエータや、各種センサー、各種スイッチ等を、制御信号線（不図示）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、上述した冷却ポンプ５６や、冷却ファン５５、空気供給部３０や水素供給部４０に含まれるシャットバルブ、調圧バルブ、水素ポンプ、空気ポンプ、等がある。
【００２５】
各種センサーとしては、上述した電圧センサー６６や、電流センサー６７、温度センサー５７，５８等がある。また、各種スイッチとしては、燃料電池システム１０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ７４等がある。
【００２６】
メモリ７２には、主として燃料電池システム１０を制御するための図示しない種々のコンピュータープログラムが格納されており、ＣＰＵ７１は、これらコンピュータープログラムを実行することにより、各機能ブロックとして動作する。例えば、後述する起動時冷却制御ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより、ＣＰＵ７１は、起動部７１ａ、温度推定部７１ｂ、および、ポンプ制御部７１ｃとして機能する。
【００２７】
Ｂ．冷却制御：
図３は起動時冷却制御ルーチンについて示すフローチャートである。図４は、起動時冷却制御により変化する燃料電池２０の内部温度（ＦＣ内部温度）について示す説明図である。この起動時制御ルーチンは、電気自動車の起動前においては、暗電流にて実行される。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ７１は、まず、始動スイッチ７４がオン状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここで、始動スイッチ７４がオン状態でない、すなわちオフ状態であると判定されたときには、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１００の処理を繰り返し得、始動スイッチ７４が操作者によって操作されてオン状態となるのを待つ。
【００２８】
ステップＳ１００で、始動スイッチ７４がオン状態にあると判定された場合には、燃料電池２０を起動する（ステップＳ１１０）。詳しくは、ＣＰＵ７１は、空気供給部３０および水素供給部４０を制御して、燃料電池２０に空気および水素ガスを供給することにより、燃料電池２０の発電を開始する（すなわち、起動する）。
【００２９】
次に、ＣＰＵ７１は、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。この判定は、この判定は、燃料電池システム１０の周囲の温度が氷点下以下であるか否かを、循環流路５２中の冷媒の温度に基づいて行おうというものである。ここで、検出値Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ１３０に処理を進めて、低温起動時の一連の処理を行う。
【００３０】
なお、ステップＳ１２０の閾値である０［℃］は、燃料電池の温度が低い低温時を判定するためのものであるが、この閾値は０［℃］に限る必要はなく、−２［℃］、−４［℃］等、他の０［℃］以下の温度とすることができる。また、ステップＳ１２０で判定を行う検出値を出力するセンサーは、第２の温度センサー５８であってもよい。また、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサー等、燃料電池システム１０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサーであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００３１】
ステップＳ１３０では、ＣＰＵ７１は、燃料電池２０の内部温度を推定する。燃料電池の内部温度は、発電における損失によって発生すると考えられる。この損失は、理論起電圧と実際の出力電圧との差分（損失電圧）に相当し、この損失電圧と出力電流の積が損失電力、すなわち、発熱の原因となる。そして、この発熱の蓄積によって内部温度が上昇することになる。そこで、燃料電池の内部温度は、例えば、以下の式を用いて推定することができる。
Ｔ２（燃料電池内部温度［Ｋ］）＝ΣＨｆｃ（燃料電池発熱量の積算値［ｋＪ］）÷Ｃｆｃ（燃料電池熱容量［ｋＪ／Ｋ］）＋Ｔ０（燃料電池起動前温度） ・・・（１）
Ｈｆｃ（燃料電池発熱量［ｋＷ］＝Ｉｆｃ（出力電流［Ａ］）×（Ｖｔｈ（理論起電圧［Ｖ］―Ｖｆｃ（出力電圧［Ｖ］）×１０−３ ・・・（２）
【００３２】
なお、出力電圧Ｖｆｃの値および出力電流Ｉｆｃの値は、電圧センサー６６および電流センサー６７により検出することができる。また、起動前温度Ｔ０は、起動前の第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１を用いることができる。ただし、起動前温度Ｔ０としては、起動前の第２の温度センサー５８の検出値であってもよい。また、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサー等、燃料電池システム２０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサーであれば、いずれの構成を利用して求めるようにしてもよい。
【００３３】
そして、ＣＰＵ７１は、推定値Ｔ２が判定基準値ＴＡより高いか否か判定する（ステップＳ１４０）。推定値Ｔ２が判定基準値ＴＡよりも高いと判定された場合には、冷却ポンプ５６の運転を開始させる（ステップＳ１５０）。なお、この判定基準値ＴＡはポンプの「起動温度」とも呼ばれる。
【００３４】
ここで、図５は第１の温度センサーの検出値Ｔ１に応じて規定される判定基準値ＴＡについて示す説明図である。図４の時刻ｔ１に示すように、燃料電池２０の内部温度が氷点（０［℃］）を突破して高くなれば、内部の残水は溶融して、通常の発電性能を確保することが可能となる。しかし、この時点で、冷媒の循環を開始した場合には、冷媒の温度はまだ０［℃］以下であるので、燃料電池２０の内部に残留する冷媒の温度が氷点（０［℃］）を越えていても、流入する氷点以下の冷媒と混ざった結果、燃料電池２０内を通過する冷媒の温度が氷点以下となってしまい、燃料電池２０の内部の残水を再凍結させてしまい、触媒層の劣化を招く可能性がある。そこで、循環を開始させる際の冷媒の温度（第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１）に対して、燃料電池２０の内部温度が氷点下とならないと想定される内部温度を判定基準値ＴＡとして、図５に示すように、あらかじめ規定しておき、検出値Ｔ１に対応する判定基準値ＴＡよりも推定値Ｔ２が高いか否か判定することにより、冷媒の循環を開始するか否か決めるものとした。なお、図５の判定基準値ＴＡは、燃料電池内に残留する冷媒量と、循環流路５２内の冷媒量および温度とから、計算により容易に求めることができる。
【００３５】
ステップＳ１２０において、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］より高いと判定された場合は、ＣＰＵ７１は、残水の凍結の可能性は低いと判断し、ステップＳ１５０へ進み、例冷却ポンプの運転を開始させる。
【００３６】
ステップＳ１５０における冷却ポンプの運転開始後は、ＣＰＵ７１は、起動時冷却制御を終了するか否か判定する（ステップＳ１６０）。この判定は、例えば、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］よりも高いか否かで判断される。第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］以下の場合には、まだ、再凍結の可能性があると考えられるので、ステップＳ１７０に進んで、燃料電池２０の内部温度を推定し、推定値Ｔ２が０［℃］以下となったか否か判定する（ステップＳ１８０）。ここで、推定値Ｔ２が０［℃］以下でない、すなわち、０［℃］よりも高い状態であると判定されたときには、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１７０の処理を繰り返し、推定値Ｔ２が０［℃］以下となるのを待つ。
【００３７】
そして、推定値Ｔ２が０［℃］以下と判定された場合には、ＣＰＵ７１は、燃料電池内の水が再凍結しないように、冷却ポンプ５６を停止させる（ステップＳ１９０）。これにより、再び、燃料電池２０の内部温度は上昇することになる。なお、この水の凝固点（氷点）である０［℃］をポンプの「停止温度」とも呼ぶ。
【００３８】
ここで、推定値Ｔ２が０℃であっても、この値は、燃料電池２０の内部温度の平均値である。図２に示したように、燃料電池セル２５において、アノード側の熱容量Ｃａｎはカソード側の熱容量Ｃｃａよりも小さくなるような構成としている。この構成の場合、燃料電池２０の内部温度の平均値が０［℃］であった場合、概ねアノードの温度が−ｘ［℃］でカソードの温度が＋ｘ［℃］となって、平均値が０［℃］となると想定できる。従って、内部温度の推定値Ｔ２（平均温度）が０℃以下とならないように制御すれば、少なくとも水が生成されるカソードの温度は０[℃]以上となることが想定され、水の凍結を抑制することが可能であると考えられる。
【００３９】
ステップＳ１９０で冷却ポンプ５６の運転を停止した場合には、ステップＳ１３０に戻り、ステップＳ１６０で、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］を超えたと判断され、ステップＳ２００に進んで通常時冷却制御を開始し、この起動時冷却制御ルーチンを終了するまで、ステップＳ１３０〜ステップＳ１９０を繰り返す。
【００４０】
以下では、図４を用いて、起動時冷却制御の一例について説明する。まず、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１も燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２も０℃以下であり、氷点下において燃料電池２０の起動を開始（時刻ｔ１）したものとする。発電によって内部温度が上昇していき、その推定値Ｔ２は時刻ｔ１で氷点（０［℃］）を突破するが、上述したように、判定基準値ＴＡ（起動温度）を越えるまでは、冷却ポンプ５６の運転は開始されない。そして、時刻ｔ２において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ１）に対応する判定基準値ＴＡ１を超えた場合に、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していき、冷媒温度（検出値Ｔ１）が徐々に上昇していくことになる。しかしながら、まだ、冷媒温度の検出値Ｔ１は０［℃］以下であるので、時刻ｔ３において、推定値Ｔ２が０［℃］まで低下すると、冷却ポンプ５６の運転が停止され、冷媒の循環も停止される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下を停止して発電による発熱に応じて上昇していく。そして、時刻ｔ４において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ４）に対応する判定基準値ＴＡ２を超えたので、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していく。そして、まだ、冷媒温度の検出値Ｔ１は［０℃］以下であるので、時刻ｔ５において、推定値Ｔ２が０［℃］まで低下すると、冷却ポンプ５６の運転が停止され、冷媒の循環も停止される。これにより、燃料電池２０の内部温度は徐々に上昇していく。そして、時刻ｔ６において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ６）に対応する判定基準値ＴＡ３を超えたので、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していくが、時刻ｔ７において、冷媒温度の検出値Ｔ１が０［℃］以上となるので、これ以降は、再凍結はないと考えられ、起動時冷却制御は終了し通常時冷却制御が開始される。
【００４１】
なお、ステップＳ１００およびＳ１１０の処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としての起動部７１ａに対応する。ステップＳ１２０ないしステップＳ２００の処理のうち、ステップＳ１３０およびＳ１７０を除く処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としてのポンプ制御部７１ｃに対応する。また、ステップＳ１４０およびＳ１７０の処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としての温度推定部７１ｂに対応する。また、判定基準値ＴＡがポンプの起動温度に対応し、０［℃］がポンプの停止温度に対応する。
【００４２】
以上説明したように、本実施例の起動時冷却制御では、燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２が０［℃］以下とならないように、冷却ポンプ５６の運転と停止を制御している。
そして、燃料電池２０を構成する燃料電池セル２５は、カソードの熱容量がアノードの熱容量よりも小さくなるように構成されている。これにより、燃料電池の内部温度は氷点下で起動時を開始して０［℃］以上に上昇して、冷却ポンプの運転が開始されて以降は、０［℃］以下とならないように推移する。そして、このとき、上記したように、燃料電池セルのアノードの熱容量Ｃａｎがカソードの熱容量Ｃｃａよりも小さくなるように構成されているので、平均温度である内部温度が０［℃］であっても、カソードの温度は０［℃］以上となることが想定される。これにより、カソードで生成される水が凍結してしまうのを抑制することができ、水の凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することができる。
【００４３】
Ｃ．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において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４４】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、アノード側のガス拡散層２７Ａ、ガス流路層２８Ａ、および、セパレータ２９Ａのいずれもが、対応するカソード側のガス拡散層２７Ｃ、ガス流路層２８Ｃ、および、セパレータ２９Ｃよりも熱容量が小さくなるように構成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも、アノードの一つの要素の熱容量がカソードの対応する一つの要素の熱容量に比べて小さく、アノード全体の熱容量がカソード全体の熱容量よりも小さくなる構成であればよい。
【００４５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ガス拡散層２７Ａ，２７Ｃとセパレータ２９Ａ、２９Ｃとの間に多孔体のガス流路層２８Ａ，２８Ｃを有する燃料電池セルを例に説明したが、これに限定されるものではなく、セパレータのガス拡散層側の面に溝状のガス流路が形成されている構成であってもよい。
【００４６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例の冷却制御では、燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２が氷点（０［℃］）未満とならないように、推定値Ｔ２がポンプの起動温度ＴＡを超えたら冷却ポンプの運転を開始し、推定値Ｔ２が停止温度（０［℃］）まで低下したら冷却ポンプ５６の運転を停止する制御を行っているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、異なる温度を停止温度として冷却ポンプ５６の運転と停止を制御してもよい。例えば、０［℃］よりも高い温度（５［℃］や１０［℃］）をポンプの停止温度としてもよい。このような判断基準温度は、温度センサー５７や電圧センサー６６、電流センサー６７等の検出の精度や、燃料電池２０を構成する各燃料電池セルの内部温度のばらつき状態などを考慮して、より確実に生成水の凍結を防止できるように設定される。
【００４７】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例における燃料電池２０の内部温度は、出力電圧と出力電流に基づく燃料電池２０の発熱量を求めて、燃料電池２０の熱容量と発熱量から温度上昇量を求め、起動前の燃料電池の温度と温度上昇量から内部温度を推定している。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池を構成する代表的な燃料電池セルの温度を温度センサーを用いて求め、出力電圧と出力電流に基づいて求められる燃料電池２０の発熱量と、求めた燃料電池セルの温度とに基づいて、燃料電池２０の内部温度を推定するようにしてもよい。また、燃料電池を構成する代表的な燃料電池セルの温度を温度センサーを用いて求めるとともに、出力電圧および出力電流と各燃料電池セルの温度分布をあらかじめ実験的に求めておき、これに基づいて燃料電池の内部温度として各燃料電池セルの平均値を求めるようにしてもよい。すなわち、少なくとも燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて、燃料電池２０の内部温度を推定することができれば、どのような構成であってもよい。
【００４８】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では電気自動車に搭載された燃料電池システムを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等の種々の移動体に適用可能である。また、機動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１，２２…出力端子
２５…燃料電池セル
２７Ａ，２７Ｃ…ガス拡散層
２８Ａ，２８Ｃ…ガス流路層
２９Ａ，２９Ｃ…セパレータ
２９Ｌ…冷媒流路
３０…空気供給部
３２…配管
３４…配管
４０…水素供給部
４２…配管
４４…配管
５０…冷却部
５２…循環流路
５４…ラジエータ
５５…冷却ファン
５６…冷却ポンプ
５７，５８…温度センサー
６０…電力制御部
６１…出力制御部
６２…モータ
６３…二次電池制御部
６４…二次電池
６６…電圧センサー
６７…電流センサー
７０…制御部
７１…ＣＰＵ
７１ａ…起動部
７１ｂ…温度推定部
７１ｃ…ポンプ制御部
７２…メモリ
７３…入出力部
７４…始動スイッチ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、氷点（０℃）下の起動時に冷媒の循環を停止して、燃料電池を起動するものが知られている（特許文献１参照）。この構成では、氷点下における燃料電池の起動時に、冷媒が燃料電池の内部に送られて、燃料電池の内部温度の上昇が抑えられてしまうことを防止することができる。また、この構成では、燃料電池の内部温度が氷点を超えると、内部温度の上昇に応じた冷媒の循環を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３６８７４号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９４４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の技術では、冷媒の循環の開始により燃料電池の内部に送られた低音（氷点下）の冷媒によって、燃料電池の内部の温度が一時的に低下するため、起動前に燃料電池内に残っていた水(以下、「残水」とも呼ぶ)が燃料電池の内部温度の上昇で一旦溶融したにも関わらず、再凍結することがあった。残水が再凍結すると、燃料電池内の触媒層の劣化を招く可能性があった。特に、燃料電池内における水（以下「生成水」とも呼ぶ）)の生成は、主にカソードで生成されるので、カソードの触媒層の劣化の可能性が高い。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池の起動後に、燃料電池内に残っていた残水の再凍結を抑制し、再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
ポンプが設けられ、前記燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面上に、前記カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、
前記制御部は、
少なくとも前記燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて前記燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、
前記内部温度が水の凝固点以下となる低温時において前記燃料電池の発電を開始した後、前記ポンプを起動する場合において、前記温度推定部による推定温度が水の凝固点以下とならないように、前記推定温度に基づいて前記ポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含む
ことを特徴とする燃料電池システム。
適用例１に記載の燃料電池システムでは、温度推定部による燃料電池内の推定温度が、水の凝固点以下とならないように、推定温度に基づいてポンプの起動および停止を制御している。このため、燃料電池の起動前に、燃料電池内に残っていた残水の再凍結を抑制することができ、残水の再凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプ制御部は、
前記ポンプの起動によって前記冷媒流通部から前記燃料電池内に前記冷媒が流入することにより、前記ポンプの起動直前の前記温度推定部による起動前推定温度が前記ポンプの起動直後の前記温度推定部による起動後推定温度まで低下したとしても、前記起動後推定温度が前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された起動温度まで、前記起動前推定温度が上昇した場合に、前記ポンプを起動させ、
前記ポンプの起動中の前記温度推定部による起動中推定温度が、前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された停止温度まで低下した場合に、前記ポンプを停止させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
適用例２記載の燃料電池システムによれば、推定温度が水の凝固点以下とならないように、ポンプの起動と停止を容易に制御することが可能である。
【０００９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法などの種々の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の内部構成を示す説明図である。
【図３】起動時冷却制御ルーチンについて示すフローチャートである。
【図４】起動時冷却制御により変化する燃料電池の内部温度について示す説明図である。
【図５】第１の温度センサーの検出値に応じて規定される判定基準値について示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．冷却制御：
Ｃ．変形例：
【００１２】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池により得られた電力を駆動用電力として用いる電気自動車に搭載された例を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、空気供給部３０と、水素供給部４０と、冷却部５０と、電力制御部６０と、制御部７０と、を備えている。
【００１３】
燃料電池２０は、アノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化ガス（空気、厳密には空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。発生した電力は、出力端子２１，２２から出力される。この出力端子２１，２２には、燃料電池２０の出力電圧を検出する電圧センサー６６が並列に設けられ、燃料電池２０の出力電流を検出する電流センサー６７が直列に設けられている。
【００１４】
図２は、燃料電池２０の内部構成を示す説明図である。燃料電池２０は、燃料電池セル２５が複数積層されたスタック構造を有する。各燃料電池セル２５は、基本的に、膜電極接合体（（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）２５をカソード側のセパレータ２９Ｃおよびアノード側のセパレータ２９Ａで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒電極（「アノード側触媒電極」とも呼ぶ）と、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒電極（「カソード側触媒電極」とも呼ぶ）とで構成される。ＭＥＡ２５とセパレータ２９Ｃ，２９Ａとの間には、それぞれガス拡散層（ＧＤＬ）２７Ｃ，２７Ａおよびガス流路層２８Ｃ，２８Ａが設けられている。カソード側のガス流路層２８Ｃは、酸化ガス（「カソードガス」とも呼ぶ）としての酸素（Ｏ２）を含む空気を流すための多孔体で構成される。同様に、アノード側のガス流路層２８Ａは、燃料ガス（「アノードガス」とも呼ぶ）としての水素（Ｈ２）を流すための多孔体で構成される。ただし。ガス流路層に代えて、セパレータのガス拡散層側の面に溝状のガス流路が形成される構造の場合もある。なお、カソードのセパレータ２９Ｃの他の燃料電池セルのアノードのセパレータ２９Ａに接する面には溝状の冷媒流路２９Ｌが形成されている。
【００１５】
ここで、図２に示すように、アノード側のガス拡散層２７Ａはカソード側のガス拡散層２７Ｃに比べて積層方向の厚さが薄くなっており、同じ部材を用いていることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。また、アノード側のセパレータ２９Ａもカソード側のセパレータ２９Ｃに比べて厚さが薄くなっており、同様に同じ部材であることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。さらにまた、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて積層方向の厚さが薄くなっており、同じ部材を用いていることを前提とすれば、熱容量が小さくなっている。また、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて多孔体の気孔率が大きくなっているので、これによっても、アノード側のガス流路層２８Ａはカソード側のガス流路層２８Ｃに比べて熱容量が小さくなっている。以上のことから、燃料電池セル２５のアノード側の熱容量Ｃａｎはカソード側の熱容量Ｃｃａに比べて小さくなっている。なお、このアノード側の熱容量とカソード側の熱容量との違いについては、さらに後述する。
【００１６】
燃料電池２０は、上記スタック構造の複数の燃料電池セル２５をターミナルを挟んでエンドプレートによって挟持される構造を有する（不図示）。また、燃料電池２０は、テンションプレートがボルトによって各エンドプレートに結合されることによって、各燃料電池セル２５を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている（不図示）。
【００１７】
空気供給部３０は、配管３２を介して燃料電池２０の各燃料電池セル２５のカソードに、カソードガス（酸化ガス）としての空気を供給する。そして、各燃料電池セル２５のカソードから排出された空気（「カソードオフガス」とも呼ぶ）を、配管３４を介して大気中に放出する。空気供給部３０は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。
【００１８】
水素供給部４０は、配管４２を介して燃料電池２０の各燃料電池セル２５のアノードに、アノードガス（燃料ガス）としての水素ガスを供給する。そして、各燃料電池セル２５のアノードから排出された水素排出ガス（「アノードオフガス」とも呼ぶ）を、配管４４を介して排出される空気とともに大気中に放出する。なお、この水素オフガスを水素ガスの供給口に戻して循環して利用する場合もある。水素供給部４０は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。
【００１９】
冷却部５０は、冷却ファン５５を備えたラジエータ５４と、燃料電池２０内に形成された冷媒の流路とラジエータ５４内に形成された冷媒の流路とを接続して両者の間で冷媒を循環させる循環流路５２と、循環流路５２を介して冷媒を循環させる駆動源となる冷却ポンプ５６と、を備えている。すなわち、これらの各部は、燃料電池２０の内部に設けた冷媒の流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部を構成している。この冷却部５０により、燃料電池２０内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させることによって、発熱を伴う電気化学反応が進行する燃料電池において、内部の温度を、電気化学反応が良好に進行する範囲内に保つことが可能となる。なお、本実施例では、氷点下（０℃以下）の寒冷（低温）な条件下において燃料電池システム１０を起動するときも、システム内部で冷却水を循環させることができるように、氷点下でも凍結しない不凍液を冷媒としても用いている。
【００２０】
ラジエータ５４は、燃料電池２０に供給されて燃料電池２０内で熱交換することによって昇温した冷却水を、降温させるための装置である。ラジエータ５４は、上記昇温した冷却水を導く流路を備える熱交換部として形成されている。この熱交換部は、外気が通過可能な構造を有し、この通過する外気と上記流路内の冷却水との間で熱交換可能となっている。ラジエータ５４が備える冷却ファン５５を駆動すると、この冷却ファン５５によって生じる冷却風は、上記熱交換部を通過すると共に、上記流路内を流れる冷却水から熱量を奪い、これによって冷媒の積極的な冷却が行なわれる。冷却ファン５５は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動状態が制御される。
【００２１】
冷却ポンプ５６は、上述したように、循環流路５２内で冷媒が循環する駆動力を発生する装置であり、駆動電圧の大きさによってその駆動量（冷却ポンプの回転数あるいは冷媒のポンピング量）を調節可能となっている。本実施例では、冷却ポンプ５６の駆動電圧の大きさを変化させることによって、冷媒のポンピング量を調節し、それによって燃料電池２０内の温度分布状態の平均化を図っている。したがって、燃料電池システム１０に備える冷却ポンプ５６としては、燃料電池２０の出力電流が激しく変動し、燃料電池２０における発熱量が変化する場合にも、燃料電池２０内の温度分布状態を充分に平均化できるように、冷媒の流量を調節することが可能な性能を有することが望ましい。この冷却ポンプ５６は、制御部７０に接続されており、制御部７０によってその駆動電圧の大きさが制御される。
【００２２】
なお、循環流路５２の燃料電池２０の入口には、第１の温度センサー５７が設けられており、燃料電池２０内に流入させる冷媒の温度を検出することができる。また、循環流路５２の燃料電池２０の出口には、第２の温度センサー５８が設けられており、燃料電池２０から流出される冷媒の温度を検出することができる。上記温度センサー５７，５８は、制御部７０に接続されており、それぞれの検出値が制御部７０に与えられて、制御部７０による制御動作に利用される。
【００２３】
電力制御部６０は、モータ６２や、出力制御部６１、二次電池６４や、二次電池制御部６３、図示しない各種の補機制御部等を備える。出力制御部６１および二次電池制御部６３は、燃料電池２０の出力端子２１，２２に接続されている。二次電池制御部６３は、燃料電池２０からの出力電力を二次電池６４に充電し、二次電池６４からの電力の出力（放電）を制御する。出力制御部６１は、燃料電池２０あるいは二次電池６４からの電力のモータ６２への供給を制御する。また、モータ６２は、燃料電池システム１０が搭載される車両の主動力源を構成する。この出力制御部６１は、例えば、モータ６２が三相交流モータの場合には、直流を三相交流に変換する三相インバータで構成される。補機制御部は、たとえば、空気供給部３０や水素供給部４０内の図示しないポンプやコンプレッサ、冷却ポンプ５６、冷却ファン５５等の各種装置を駆動するための電力の供給を制御する。
【００２４】
制御部７０は、ＣＰＵ７１と、メモリ７２と、入出力部７３と、を主に備えるコンピュータシステムとして構成されている。入出力部７３は、各種アクチュエータや、各種センサー、各種スイッチ等を、制御信号線（不図示）を介して接続している。各種アクチュエータとしては、上述した冷却ポンプ５６や、冷却ファン５５、空気供給部３０や水素供給部４０に含まれるシャットバルブ、調圧バルブ、水素ポンプ、空気ポンプ、等がある。
【００２５】
各種センサーとしては、上述した電圧センサー６６や、電流センサー６７、温度センサー５７，５８等がある。また、各種スイッチとしては、燃料電池システム１０が搭載される電気自動車を始動する始動スイッチ７４等がある。
【００２６】
メモリ７２には、主として燃料電池システム１０を制御するための図示しない種々のコンピュータープログラムが格納されており、ＣＰＵ７１は、これらコンピュータープログラムを実行することにより、各機能ブロックとして動作する。例えば、後述する起動時冷却制御ルーチンのコンピュータープログラムを実行することにより、ＣＰＵ７１は、起動部７１ａ、温度推定部７１ｂ、および、ポンプ制御部７１ｃとして機能する。
【００２７】
Ｂ．冷却制御：
図３は起動時冷却制御ルーチンについて示すフローチャートである。図４は、起動時冷却制御により変化する燃料電池２０の内部温度（ＦＣ内部温度）について示す説明図である。この起動時制御ルーチンは、電気自動車の起動前においては、暗電流にて実行される。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵ７１は、まず、始動スイッチ７４がオン状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここで、始動スイッチ７４がオン状態でない、すなわちオフ状態であると判定されたときには、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１００の処理を繰り返し得、始動スイッチ７４が操作者によって操作されてオン状態となるのを待つ。
【００２８】
ステップＳ１００で、始動スイッチ７４がオン状態にあると判定された場合には、燃料電池２０を起動する（ステップＳ１１０）。詳しくは、ＣＰＵ７１は、空気供給部３０および水素供給部４０を制御して、燃料電池２０に空気および水素ガスを供給することにより、燃料電池２０の発電を開始する（すなわち、起動する）。
【００２９】
次に、ＣＰＵ７１は、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。この判定は、この判定は、燃料電池システム１０の周囲の温度が氷点下以下であるか否かを、循環流路５２中の冷媒の温度に基づいて行おうというものである。ここで、検出値Ｔ１が０［℃］以下であると判定された場合には、ステップＳ１３０に処理を進めて、低温起動時の一連の処理を行う。
【００３０】
なお、ステップＳ１２０の閾値である０［℃］は、燃料電池の温度が低い低温時を判定するためのものであるが、この閾値は０［℃］に限る必要はなく、−２［℃］、−４［℃］等、他の０［℃］以下の温度とすることができる。また、ステップＳ１２０で判定を行う検出値を出力するセンサーは、第２の温度センサー５８であってもよい。また、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサー等、燃料電池システム１０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサーであれば、いずれの構成とすることもできる。
【００３１】
ステップＳ１３０では、ＣＰＵ７１は、燃料電池２０の内部温度を推定する。燃料電池の内部温度は、発電における損失によって発生すると考えられる。この損失は、理論起電圧と実際の出力電圧との差分（損失電圧）に相当し、この損失電圧と出力電流の積が損失電力、すなわち、発熱の原因となる。そして、この発熱の蓄積によって内部温度が上昇することになる。そこで、燃料電池の内部温度は、例えば、以下の式を用いて推定することができる。
Ｔ２（燃料電池内部温度［Ｋ］）＝ΣＨｆｃ（燃料電池発熱量の積算値［ｋＪ］）÷Ｃｆｃ（燃料電池熱容量［ｋＪ／Ｋ］）＋Ｔ０（燃料電池起動前温度） ・・・（１）
Ｈｆｃ（燃料電池発熱量［ｋＷ］＝Ｉｆｃ（出力電流［Ａ］）×（Ｖｔｈ（理論起電圧［Ｖ］―Ｖｆｃ（出力電圧［Ｖ］）×１０−３ ・・・（２）
【００３２】
なお、出力電圧Ｖｆｃの値および出力電流Ｉｆｃの値は、電圧センサー６６および電流センサー６７により検出することができる。また、起動前温度Ｔ０は、起動前の第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１を用いることができる。ただし、起動前温度Ｔ０としては、起動前の第２の温度センサー５８の検出値であってもよい。また、燃料電池システム１０の外側に設置した温度センサー等、燃料電池システム２０の周囲の温度を反映するパラメータを検出することのできるセンサーであれば、いずれの構成を利用して求めるようにしてもよい。
【００３３】
そして、ＣＰＵ７１は、推定値Ｔ２が判定基準値ＴＡより高いか否か判定する（ステップＳ１４０）。推定値Ｔ２が判定基準値ＴＡよりも高いと判定された場合には、冷却ポンプ５６の運転を開始させる（ステップＳ１５０）。なお、この判定基準値ＴＡはポンプの「起動温度」とも呼ばれる。
【００３４】
ここで、図５は第１の温度センサーの検出値Ｔ１に応じて規定される判定基準値ＴＡについて示す説明図である。図４の時刻ｔ１に示すように、燃料電池２０の内部温度が氷点（０［℃］）を突破して高くなれば、内部の残水は溶融して、通常の発電性能を確保することが可能となる。しかし、この時点で、冷媒の循環を開始した場合には、冷媒の温度はまだ０［℃］以下であるので、燃料電池２０の内部に残留する冷媒の温度が氷点（０［℃］）を越えていても、流入する氷点以下の冷媒と混ざった結果、燃料電池２０内を通過する冷媒の温度が氷点以下となってしまい、燃料電池２０の内部の残水を再凍結させてしまい、触媒層の劣化を招く可能性がある。そこで、循環を開始させる際の冷媒の温度（第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１）に対して、燃料電池２０の内部温度が氷点下とならないと想定される内部温度を判定基準値ＴＡとして、図５に示すように、あらかじめ規定しておき、検出値Ｔ１に対応する判定基準値ＴＡよりも推定値Ｔ２が高いか否か判定することにより、冷媒の循環を開始するか否か決めるものとした。なお、図５の判定基準値ＴＡは、燃料電池内に残留する冷媒量と、循環流路５２内の冷媒量および温度とから、計算により容易に求めることができる。
【００３５】
ステップＳ１２０において、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］より高いと判定された場合は、ＣＰＵ７１は、残水の凍結の可能性は低いと判断し、ステップＳ１５０へ進み、例冷却ポンプの運転を開始させる。
【００３６】
ステップＳ１５０における冷却ポンプの運転開始後は、ＣＰＵ７１は、起動時冷却制御を終了するか否か判定する（ステップＳ１６０）。この判定は、例えば、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］よりも高いか否かで判断される。第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］以下の場合には、まだ、再凍結の可能性があると考えられるので、ステップＳ１７０に進んで、燃料電池２０の内部温度を推定し、推定値Ｔ２が０［℃］以下となったか否か判定する（ステップＳ１８０）。ここで、推定値Ｔ２が０［℃］以下でない、すなわち、０［℃］よりも高い状態であると判定されたときには、ＣＰＵ７１は、ステップＳ１７０の処理を繰り返し、推定値Ｔ２が０［℃］以下となるのを待つ。
【００３７】
そして、推定値Ｔ２が０［℃］以下と判定された場合には、ＣＰＵ７１は、燃料電池内の水が再凍結しないように、冷却ポンプ５６を停止させる（ステップＳ１９０）。これにより、再び、燃料電池２０の内部温度は上昇することになる。なお、この水の凝固点（氷点）である０［℃］をポンプの「停止温度」とも呼ぶ。
【００３８】
ここで、推定値Ｔ２が０℃であっても、この値は、燃料電池２０の内部温度の平均値である。図２に示したように、燃料電池セル２５において、アノード側の熱容量Ｃａｎはカソード側の熱容量Ｃｃａよりも小さくなるような構成としている。この構成の場合、燃料電池２０の内部温度の平均値が０［℃］であった場合、概ねアノードの温度が−ｘ［℃］でカソードの温度が＋ｘ［℃］となって、平均値が０［℃］となると想定できる。従って、内部温度の推定値Ｔ２（平均温度）が０℃以下とならないように制御すれば、少なくとも水が生成されるカソードの温度は０[℃]以上となることが想定され、水の凍結を抑制することが可能であると考えられる。
【００３９】
ステップＳ１９０で冷却ポンプ５６の運転を停止した場合には、ステップＳ１３０に戻り、ステップＳ１６０で、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１が０［℃］を超えたと判断され、ステップＳ２００に進んで通常時冷却制御を開始し、この起動時冷却制御ルーチンを終了するまで、ステップＳ１３０〜ステップＳ１９０を繰り返す。
【００４０】
以下では、図４を用いて、起動時冷却制御の一例について説明する。まず、第１の温度センサー５７の検出値Ｔ１も燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２も０℃以下であり、氷点下において燃料電池２０の起動を開始（時刻ｔ１）したものとする。発電によって内部温度が上昇していき、その推定値Ｔ２は時刻ｔ１で氷点（０［℃］）を突破するが、上述したように、判定基準値ＴＡ（起動温度）を越えるまでは、冷却ポンプ５６の運転は開始されない。そして、時刻ｔ２において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ１）に対応する判定基準値ＴＡ１を超えた場合に、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していき、冷媒温度（検出値Ｔ１）が徐々に上昇していくことになる。しかしながら、まだ、冷媒温度の検出値Ｔ１は０［℃］以下であるので、時刻ｔ３において、推定値Ｔ２が０［℃］まで低下すると、冷却ポンプ５６の運転が停止され、冷媒の循環も停止される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下を停止して発電による発熱に応じて上昇していく。そして、時刻ｔ４において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ４）に対応する判定基準値ＴＡ２を超えたので、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していく。そして、まだ、冷媒温度の検出値Ｔ１は［０℃］以下であるので、時刻ｔ５において、推定値Ｔ２が０［℃］まで低下すると、冷却ポンプ５６の運転が停止され、冷媒の循環も停止される。これにより、燃料電池２０の内部温度は徐々に上昇していく。そして、時刻ｔ６において、推定値Ｔ２が冷媒温度の検出値Ｔ１（ｔ６）に対応する判定基準値ＴＡ３を超えたので、冷却ポンプ５６の運転が開始され、冷媒の循環が開始される。これにより、燃料電池２０の内部温度は低下していくが、時刻ｔ７において、冷媒温度の検出値Ｔ１が０［℃］以上となるので、これ以降は、再凍結はないと考えられ、起動時冷却制御は終了し通常時冷却制御が開始される。
【００４１】
なお、ステップＳ１００およびＳ１１０の処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としての起動部７１ａに対応する。ステップＳ１２０ないしステップＳ２００の処理のうち、ステップＳ１３０およびＳ１７０を除く処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としてのポンプ制御部７１ｃに対応する。また、ステップＳ１４０およびＳ１７０の処理が、ＣＰＵ７１で実行される機能としての温度推定部７１ｂに対応する。また、判定基準値ＴＡがポンプの起動温度に対応し、０［℃］がポンプの停止温度に対応する。
【００４２】
以上説明したように、本実施例の起動時冷却制御では、燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２が０［℃］以下とならないように、冷却ポンプ５６の運転と停止を制御している。
そして、燃料電池２０を構成する燃料電池セル２５は、カソードの熱容量がアノードの熱容量よりも小さくなるように構成されている。これにより、燃料電池の内部温度は氷点下で起動時を開始して０［℃］以上に上昇して、冷却ポンプの運転が開始されて以降は、０［℃］以下とならないように推移する。そして、このとき、上記したように、燃料電池セルのアノードの熱容量Ｃａｎがカソードの熱容量Ｃｃａよりも小さくなるように構成されているので、平均温度である内部温度が０［℃］であっても、カソードの温度は０［℃］以上となることが想定される。これにより、カソードで生成される水が凍結してしまうのを抑制することができ、水の凍結に起因する触媒層の劣化を抑制することができる。
【００４３】
Ｃ．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において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４４】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、アノード側のガス拡散層２７Ａ、ガス流路層２８Ａ、および、セパレータ２９Ａのいずれもが、対応するカソード側のガス拡散層２７Ｃ、ガス流路層２８Ｃ、および、セパレータ２９Ｃよりも熱容量が小さくなるように構成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、少なくとも、アノードの一つの要素の熱容量がカソードの対応する一つの要素の熱容量に比べて小さく、アノード全体の熱容量がカソード全体の熱容量よりも小さくなる構成であればよい。
【００４５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ガス拡散層２７Ａ，２７Ｃとセパレータ２９Ａ、２９Ｃとの間に多孔体のガス流路層２８Ａ，２８Ｃを有する燃料電池セルを例に説明したが、これに限定されるものではなく、セパレータのガス拡散層側の面に溝状のガス流路が形成されている構成であってもよい。
【００４６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例の冷却制御では、燃料電池２０の内部温度の推定値Ｔ２が氷点（０［℃］）未満とならないように、推定値Ｔ２がポンプの起動温度ＴＡを超えたら冷却ポンプの運転を開始し、推定値Ｔ２が停止温度（０［℃］）まで低下したら冷却ポンプ５６の運転を停止する制御を行っているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、異なる温度を停止温度として冷却ポンプ５６の運転と停止を制御してもよい。例えば、０［℃］よりも高い温度（５［℃］や１０［℃］）をポンプの停止温度としてもよい。このような判断基準温度は、温度センサー５７や電圧センサー６６、電流センサー６７等の検出の精度や、燃料電池２０を構成する各燃料電池セルの内部温度のばらつき状態などを考慮して、より確実に生成水の凍結を防止できるように設定される。
【００４７】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例における燃料電池２０の内部温度は、出力電圧と出力電流に基づく燃料電池２０の発熱量を求めて、燃料電池２０の熱容量と発熱量から温度上昇量を求め、起動前の燃料電池の温度と温度上昇量から内部温度を推定している。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池を構成する代表的な燃料電池セルの温度を温度センサーを用いて求め、出力電圧と出力電流に基づいて求められる燃料電池２０の発熱量と、求めた燃料電池セルの温度とに基づいて、燃料電池２０の内部温度を推定するようにしてもよい。また、燃料電池を構成する代表的な燃料電池セルの温度を温度センサーを用いて求めるとともに、出力電圧および出力電流と各燃料電池セルの温度分布をあらかじめ実験的に求めておき、これに基づいて燃料電池の内部温度として各燃料電池セルの平均値を求めるようにしてもよい。すなわち、少なくとも燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて、燃料電池２０の内部温度を推定することができれば、どのような構成であってもよい。
【００４８】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では電気自動車に搭載された燃料電池システムを例に説明しているが、これに限定されるものではなく、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等の種々の移動体に適用可能である。また、機動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１，２２…出力端子
２５…燃料電池セル
２７Ａ，２７Ｃ…ガス拡散層
２８Ａ，２８Ｃ…ガス流路層
２９Ａ，２９Ｃ…セパレータ
２９Ｌ…冷媒流路
３０…空気供給部
３２…配管
３４…配管
４０…水素供給部
４２…配管
４４…配管
５０…冷却部
５２…循環流路
５４…ラジエータ
５５…冷却ファン
５６…冷却ポンプ
５７，５８…温度センサー
６０…電力制御部
６１…出力制御部
６２…モータ
６３…二次電池制御部
６４…二次電池
６６…電圧センサー
６７…電流センサー
７０…制御部
７１…ＣＰＵ
７１ａ…起動部
７１ｂ…温度推定部
７１ｃ…ポンプ制御部
７２…メモリ
７３…入出力部
７４…始動スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
ポンプが設けられ、前記燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面上に、前記カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、
前記制御部は、
少なくとも前記燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて前記燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、
前記内部温度が水の凝固点以下となる低温時において前記燃料電池の発電を開始した後、前記ポンプを起動する場合において、前記燃料電池内の水が凍結しないように、前記温度推定部による推定温度に基づいて前記ポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含む
ことを特徴とす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、
前記ポンプ制御部は、
前記ポンプの起動によって前記冷媒流通部から前記燃料電池内に前記冷媒が流入することにより、前記ポンプの起動直前の前記温度推定部による起動前推定温度が前記ポンプの起動直後の前記温度推定部による起動後推定温度まで低下したとしても、前記起動後推定温度が前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された起動温度まで、前記起動前推定温度が上昇した場合に、前記ポンプを起動させ、
前記ポンプの起動中の前記温度推定部による起動中推定温度が、前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された停止温度まで低下した場合に、前記ポンプを停止させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
ポンプが設けられ、前記燃料電池内に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるための冷媒流通部と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面上に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の面上に、前記カソードの熱容量よりも小さい熱容量となるように設けられたアノードと、を有する燃料電池セルから構成されており、
前記制御部は、
少なくとも前記燃料電池の出力電圧および出力電流に基づいて前記燃料電池の内部温度を推定する温度推定部と、
前記内部温度が水の凝固点以下となる低温時において前記燃料電池の発電を開始した後、前記ポンプを起動する場合において、前記燃料電池内の水が凍結しないように、前記温度推定部による推定温度に基づいて前記ポンプの起動および停止を制御するポンプ制御部と、を含む
ことを特徴とす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、
前記ポンプ制御部は、
前記ポンプの起動によって前記冷媒流通部から前記燃料電池内に前記冷媒が流入することにより、前記ポンプの起動直前の前記温度推定部による起動前推定温度が前記ポンプの起動直後の前記温度推定部による起動後推定温度まで低下したとしても、前記起動後推定温度が前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された起動温度まで、前記起動前推定温度が上昇した場合に、前記ポンプを起動させ、
前記ポンプの起動中の前記温度推定部による起動中推定温度が、前記水の凝固点以下とならないような温度として予め規定された停止温度まで低下した場合に、前記ポンプを停止させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１１３８４８（Ｐ２０１２−１１３８４８Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５９６３７（Ｐ２０１０−２５９６３７）
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【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６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２２日（２０１０．１１．２２）
【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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