JP4831417B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、始動時に暖機のために低効率運転を実施する燃料電池システムの改良に関する。

燃料電池は、氷点以下の低温環境で運転を開始すると、カソード極やアノード極、拡散層に残留する水が凍結してガス流通を阻害したり、高分子電解質膜内部に残留する水が凍結してプロトン伝導性を低下させたりする。このため、低温起動時には燃料電池の暖機運転を行ってから高効率運転に移行する。

燃料電池の暖機運転では、発電効率を低下させて自己発熱量を増大させることで暖機を促進する。例えば、特開２００５−１７４６４５号公報では、燃料電池の一部に供給する酸化剤ガス流量を低減または遮断した状態で燃料電池の暖機運転を実施する技術が記載されている。この技術によれば、酸化剤ガスが不足している部分で還元反応が生じて水素が発生し発熱することで、積極的な昇温を行っている（特許文献１、段落００１３、００３７〜００４８）。

また特表２００３−５０４８０７号公報では、同様に燃料電池の一部に反応物不足を生じさせ、当該部分における過電圧を増大させて発熱させる技術が記載されている（特許文献２、段落０００９）。
特開２００５−１７４６４５号公報（段落００１３、００３９〜００４８） 特表２００３−５０４８０７号公報（段落０００９）

しかし、従来の低効率運転を実施する燃料電池システムでは、燃料電池の温度をモニターして昇温ができたら低効率運転を停止させているが（例えば特許文献１、段落００４０）、低効率運転時に酸化剤ガスの供給量が多すぎると、発熱反応が起こらず、過剰に水分が発生して、暖機運転を阻害するおそれがあった。

そこで、本発明は、燃料電池の低効率運転時における生成水量を正しく把握して適正な暖機を可能とすることを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、暖機運転時に燃料電池へのガス供給量を制限して低効率運転を実施する燃料電池システムにおいて、該低効率運転時に、該燃料電池において生成される水分量を検出する生成水量検出手段と、検出された該水分量に基づいて該燃料電池へのガス供給量を制限するガス供給制限手段と、を備える。

係る構成によれば、生成水量検出手段が、低効率運転時における生成水の発生量を把握してそれに基づいて燃料電池へのガス供給量を制限しているので、ガス供給量が多すぎて過剰な水分が生成され、暖機運転が阻害される可能性を抑制可能である。

ここで、例えば、前記生成水量検出手段は、前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段と、検出された前記出力電流を検出タイミング毎に積算する出力電流積算手段と、積算した前記出力電流に基づいて生成水量を推測する生成水量演算手段と、を備える。

係る構成によれば、出力電流が検出され、その出力電流の積算値に基づき電気化学反応による始動直後から発生した水分の総量が検出できる。

ここで、例えば、前記ガス供給制限手段は、前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、推測された前記生成水量、検出された該出力電圧、および検出された前記温度に基づいて、所定時間後の出力電流を推測する次回電流推測手段と、推測された該所定時間後の出力電流に基づいて前記燃料電池に供給すべきガス流量を推測するガス流量推測手段と、推測された該ガス流量を前記燃料電池に供給するガス供給制御手段と、を備える。

係る構成によれば、所定の制御タイミングで検出された電圧値、温度、そして生成水量検出手段により検出された生成水量とに基づき、次回の制御タイミングにおける電流量が正確に予測でき、その電流量を発生させるために適当なガス供給量が把握でき、その供給量でガスが燃料電池に供給されるので、過剰な水分を発生させることなく適正な暖機運転が行える。

本発明では、前記燃料電池のなかで相対的に条件が悪くなる部分の状況に基づいて前記水分量を検出することが好ましい。

係る構成によれば、相対的に条件が悪くなりやすい部分は、適正な暖機運転を阻害しやすい部分であるため、その部分の水分量を検出することで、より適正な暖機運転が可能となる。

本発明では、例えば、ガス供給制限手段は、カソードガスの供給を制限する。酸化剤ガスを適正することにより、低効率運転が行われるからである。

本発明によれば、生成水量検出手段を備え、燃料電池の低効率運転時における生成水量を正しく把握するので、生成水が過多になって暖機運転が阻害される状況の発生を抑制しながら最短時間での適正な暖機運転が可能である。

次に本発明の好適な実施の形態を説明する。
図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却系統３と燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９とを備えて構成されている。

燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３）

なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。

燃料ガス供給装置４２は、例えば高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。

なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７が設置されている。

また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６４を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５の回転数を検出する回転数センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器７８、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー７９が設けられている。気液分離器７８から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー７９にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統に重畳された交流信号に電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。

さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電を制御するための制御部８０が設置されている。

制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、回転数センサ５７、７３、９９からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。

また、制御部８０は、燃料電池２０の運転停止時に、掃気処理を行うに際して、燃料電池２０に対して掃気ガス、例えば、水素ガス、酸化剤ガスを供給する掃気ガス供給手段（補機類）として、水素ポンプ５５または／およびエアコンプレッサ７５を選択し、水素ポンプ５５または／およびエアコンプレッサ７５の回転数または回転数×駆動時間を制御するようになっている。

ここで、制御部８０は、起動時に低効率運転を実施し、燃料電池２０の暖機運転を実施するように機能する。具体的には、酸化ガス供給系統７からの酸化ガスの供給量を制限して燃料電池２０の単セルへ酸化ガス不足状態を作り発電される電流量と生成される水分量を抑制することで発熱させ暖機を促進するようになっている。

特に、本実施形態では、制御部８０は、燃料電池２０において生成される水分量を検出し、その検出された水分量に基づいて、供給すべき酸化ガス量を決定して酸化ガス供給制御をするように構成されている。

（動作原理の説明）
次の本発明に係る動作を説明する。
まず、本実施形態における燃料電池の生成水量の検出および掃気のための酸化ガス量の決定方法を説明する。

当該燃料電池システム１０では、燃料電池の始動時には、酸化ガスの供給量を抑え発熱量を多くした暖機運転を行う。このとき、低効率運転時に酸化剤ガスの供給量が多すぎると、発熱反応が起こらず、過剰に水分が発生して、暖機運転を阻害するおそれがある。そこで、本実施形態では、以下のように、生成水の量を正しく検出して適正な酸化ガスを供給するものである。

図３に、氷点以下の環境における起動時の経過時間に対する出力電流Ｉおよび生成水量ｇの関係図を示す。この図は、燃料電池２０の出力電圧がＶｃで一定であるものとし、燃料電池２０の温度が一定であるものとした場合の特性である。

図３の低温出力電流特性ｆ１に示すように、燃料電池を起動すると、カソード極２３において上記式（２）の反応を生じ、水が生成される。しかし、起動直後の温度が氷点以下の温度となっていると、生成水は短い時間経過後（時刻ｔｆ）、凍結を開始する。生成水が凍結すると、ガス流通が阻害され、高分子電解質膜２１におけるプロトン伝導性が低下するようになる。このため、凍結開始時刻ｔｆを境にして、生成水量の総量は増えていくにも関わらず大半が凍結し、出力電圧特性ｆ１は低下していくようになる。

このとき、生成水量特性ｆ２で示すように、生成水量ｇは時間の経過とともに増加していく。水分は、上記式（２）に従って生成されていくので、電子２個に対して水の分子（分子量１８）が一つ生ずる関係になる。よって、∫Ｉを発電開始からの総電流量（電荷量）、Ｆをファラデー定数、Ｍ（Ｈ₂Ｏ）を水の分子量として、生成水量ｇは、式（４）で計算できる。
生成水量ｇ＝（∫Ｉ×Ｍ（Ｈ₂Ｏ））／２Ｆ …（４）

従って、図３の低温出力電流特性ｆ１のように変化する単位時間毎の電流量Ｉをモニターし、積算値∫Ｉを演算し、式（４）に代入することによって、生成水量特性ｆ２で示すような生成水量ｇを検出することができるのである。

本実施形態において、電流量Ｉは燃料電池２０の電流センサ９８の検出信号から計測可能である。そこで、制御部８０は、単位時間毎に電流量Ｉを計測し、積算値∫Ｉを演算し更新していくと同時に、式（４）に従って単位時間毎の生成水量ｇを検出するように動作する。

図４に、低温起動時における生成水量ｇと出力電流Ｉとの関係図を示す。この図は、燃料電池２０の温度がＴｃで一定である場合の特性である。
図４の低温生成水−電流特性ｆ３に示すように、低温起動時当初は、電流量Ｉの増加とともに水分の生成量も増えていくが、ある程度時間が経過すると、生成水が凍結してガス流通が阻害されるが故に電流量Ｉが低下していき、電気光学反応が殆ど行われなくなった段階で電流がゼロとなる。

ここで、電流量は、燃料電池の出力電圧Ｖ、燃料電池の温度Ｔ、および生成水量ｇに基づいて推測できる。すなわち、ある時刻ｔにおける燃料電池の出力電圧をＶｔ、燃料電池の温度をＴｔ、その時の生成水量をｇｔとすると、将来のある時刻ｔ＋１における電流量Ｉ_t+1は、式（５）に基づいて導き出せる。
Ｉ_t+1＝Ｉ（Ｖｔ、Ｔｔ、ｇｔ） …（５）

本実施形態において、燃料電池２０の出力電圧Ｖは電圧センサ９７の検出信号から検出可能であり、燃料電池２０の温度Ｔは温度センサ３２の検出信号から検出可能である。また生成水量ｇは、上記式（４）に基づいて検出される。そこで、制御部８０は、単位時間毎に、燃料電池２０の出力電圧Ｖおよび温度Ｔを計測し、この出力電圧Ｔ、温度Ｔ、および式（４）により検出した生成水量ｇを式（５）に代入し、次回の単位時間後における将来の電流量Ｉ_t+1を予測するように動作するのである。

なお、出力電圧Ｖ、温度Ｔ、および生成水量ｇをパラメータとした場合の電流量Ｉは測定等により把握することができる。制御部８０は、これら４つのパラメータの相互関係をメモリテーブルとして記憶している。

図５に、生成水量ｇと発熱量Ｑとの関係において、総合的な発熱量に応じて生成水―発熱量特性がどのように変化するかを示す。この図は、燃料電池２０の温度が氷点以下の場合における特性を示している。

燃料電池における発熱量Ｑは、電流量Ｉに対応しているので、図５の生成水−発熱量特性曲線は図４に示したような生成水−電流量特性曲線に近似した特性を示す。供給するガス流量が小さい程、発熱量が多くなる傾向にある。曲線ｆ５の生成水―発熱量特性は、燃料電池が温度Ｔにおいて、支障なく発生させることのできる最大の熱量Ｑｍａｘ（例えば、エアストイキ比＝１）を示している。この最大熱量Ｑｍａｘ以上では、燃料電池に与える影響の点で好ましくなく、逆にＱｍａｘから小さな発熱量になる程、暖機運転としての目的に合致しない運転状態ということになる。

例えば、図５における曲線ｆ７は、ガス流量が多すぎて発熱量が最大発熱量Ｑｍａｘより大分少なく、暖機運転には適さない条件における運転特性となっている。一方で曲線ｆ４は、ガスが少な過ぎて発熱量が許容発熱量Ｑｍａｘを超えており、高温により燃料電池の電解質膜その他の部材を劣化させるおそれがある領域であり、これも暖機運転には適さない条件となっている。

これらに対し、最大発熱量Ｑｍａｘを生じさせる曲線ｆ５にマージンを取った、曲線ｆ６を中心とする一定の範囲は、最大発熱量Ｑｍａｘの近傍に制御されているため、発熱量が多すぎて燃料電池に悪影響を与えたり、発熱量が少なすぎて暖機が不十分になったりすることがなく、最適な発熱量の範囲であるといえる。本実施形態では、制御部８０は、この曲線ｆ６を中心とする最適化範囲に生成水−発熱量特性が維持されるようにシステム全体、具体的には酸化ガス（エア）の供給量を制御するようになっている。

すなわち、適正な暖機運転となるためには、生成水量ｇに対する電流量Ｉを最適化範囲になるように制御する必要があり、そのためにはガス流量、具体的には燃料電池のカソード極に供給する酸化ガス流量を適正な範囲に供給する制御が必要である。そこで本実施形態では、制御部８０は、式（５）で演算された将来の電流量が生成水量ｇに対して適正な範囲に維持されるように、燃料電池２０のカソード極２３に供給する酸化ガス流量ｑを調整する。具体的に、酸化ガス流量は、コンプレッサ７５を駆動させるための制御信号が指示するコンプレッサの回転数により調整される。

なお、生成水量ｇに対して適正な暖機運転をするために最適な範囲の電流量Ｉは、制御部８０がメモリテーブルとして記憶している。また、供給する酸化ガス流量と燃料電池２０によって発電される電流量Ｉとの関係も、制御部８０はメモリテーブルとして記憶している。

（機能ブロックの説明）
上記原理に基づく動作は、以下の機能ブロックによって実現される。
図２に、制御部８０を中心として実現される起動時の低効率運転時における機能ブロック図を示す。図２に示すように、起動時における低効率運転時、当該燃料電池システム１０は、生成水量検出手段１０１とガス供給制限手段１０２とを備える。

生成水量検出手段１０１は、低効率運転時に、燃料電池２０において生成される水分量ｇを検出する。ガス供給制限手段１０２は、検出された生成水量ｇに基づいて燃料電池２０への酸化ガス供給量ｑを制限する。ガス供給制御は、所定の制御タイミング毎に行われる。例えば、時刻ｔで行うガス供給制御は、時刻ｔにおけるシステムの状態値に基づいて次回の制御タイミングである時刻ｔ＋１における酸化ガス供給量ｑを決定するというものである。

具体的に、生成水量検出手段１０１は、出力電流検出手段１０１１、出力電流積算手段１０１２、および生成水量演算手段１０１３を備える。
出力電流検出手段１０１１は、時刻ｔにおける燃料電池２０の出力電流Ｉｔを検出するもので、電流センサ９８および制御部８０が相当している。出力電流積算手段１０１２は、検出された出力電流Ｉｔを低効率運転開始から検出タイミング毎に積算し積算値∫Ｉを出力するもので、制御部８０の内部メモリと制御部８０とが対応している。生成水量演算手段１０１３は、積算した出力電流∫Ｉに基づいて時刻ｔにおける生成水量ｇｔを推測するもので、制御部８０が相当している。

また、ガス供給制限手段１０２は、出力電圧検出手段１０２１、温度検出手段１０２２、次回電流推測手段１０２３、ガス流量推測手段１０２４、およびガス供給制御手段１０２５を備える。

出力電圧検出手段１０２１は、時刻ｔにおける燃料電池２０の出力電圧Ｖｔを検出するもので、電圧センサ９７および電圧センサ９８の検出信号に基づき電圧量を把握する制御部８０が相当している。温度検出手段１０２２は、時刻ｔにおける燃料電池２０の温度Ｔｔを検出するもので、温度センサ３６および温度センサ３６の検出信号に基づき温度を把握する制御部８０が相当している。次回電流推測手段１０２３は、推測された生成水量ｇｔ、検出された出力電圧Ｖｔ、および検出された温度Ｔｔに基づいて、所定時刻ｔ＋１の出力電流Ｉ_t+1を推測するもので、制御部８０が相当している。ガス流量推測手段１０２４は、推測された所定時刻ｔ＋１の出力電流I_t+1に基づいて燃料電池２０に供給すべきガス流量Ｑｔ＋１を推測するもので、制御部８０が相当している。ガス供給制御手段１０２５は、推測されたガス流量Ｑｔ＋１を燃料電池２０に供給するもので、制御部８０および制御部８０の制御に基づく回転数で回転し酸化ガスを供給するコンプレッサ７５が相当している。

（動作手順の説明）
次に、図６のフローチャートに基づいて本実施形態の低効率運転の動作を説明する。このフローチャートは、所定の制御タイミング毎に実行されるものとする。以下は時刻ｔにおける制御タイミングにおいて、システムの各部の状態を計測することにより、次回の制御タイミングである時刻ｔ＋１の酸化ガス供給量を推測するフィードフォワード制御処理を例示するものである。

ステップ１０において、制御部８０は、時刻ｔにおいて、温度センサ３２等の検出信号を参照して燃料電池２０の内部温度Ｔｔを計測する。温度センサ３２により示される温度は燃料電池２０の内部を流通する冷却液の温度であり、燃料電池２０の平均温度となっている。

ステップＳ１１において、制御部８０は、検出された燃料電池２０の温度Ｔｔが氷点以下であるか否かを検査する。検査の結果、燃料電池２０の温度Ｔｔが氷点より高い場合には（ＮＯ）、燃料電池２０に対する暖機運転が不要な温度であると判断し、当該暖機運転の処理を終了する。一方、燃料電池２０の温度Ｔｔが氷点以下である場合には（ＹＥＳ）、制御部８０は、燃料電池２０に対する暖機運転、すなわち低効率運転が必要であると判断し、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、制御部８０によって実現される生成水量検出手段１０１の出力電流検出手段１０１１は、電流センサ９８の検出信号を参照して時刻ｔにおける燃料電池２０の出力電流量Ｉｔを検出し、記憶する。ステップＳ１３に移行し、電流積算手段１０１２は、今回測定した電流量Ｉｔを、前回の制御タイミングまでに積算してきた総電流量にさらに積算し、暖機運転開始から時刻ｔまでの総電流量∫Ｉ、すなわち電荷量を演算する。演算された総電流量は、次回の積算のために記憶される。

ステップＳ１４に移行し、生成水量演算手段１０１３は、更新された総電流量∫Ｉを上記式（４）に代入して、時刻ｔにおける生成水量ｇｔを演算する。検出された生成水量ｇｔは、酸化ガス供給量ｑ_t+1を推測するために、ガス供給制限手段１０２に渡される。

ステップＳ１５に移行し、ガス供給制限手段１０２の出力電圧検出手段１０２１は、電圧船さ９７の検出信号を参照して時刻ｔにおける燃料電池２０の出力電圧量Ｖｔを検出する。また、温度検出手段１０２２は、温度センサ３２の検出信号を参照して燃料電池２０の時刻ｔにおける温度Ｔｔを検出する。

なお、ここでは温度センサ３２の検出信号に基づき燃料電池２０の温度を検出していたが、ステップＳ１０において既に燃料電池２０の温度Ｔｔが検出されているので、その値を用いることとしてもよい。ただし、電流推測のために特定の単セルの温度を検出するよう構成した場合には、このステップＳ１５において、その特定の単セルの温度をＴｔとして検出する。

ステップＳ１６において、次回電流推測手段１０２３は、時刻ｔにおける出力電圧Ｖｔ、温度Ｔｔ、および生成水量検出手段１０１から供給された生成水量ｇｔに基づいて、上記式（５）に基づき次回の制御タイミングである時刻ｔ＋１における電流量Ｉ_t+1を推測する。すなわち次回電流推測手段１０２３は、これら三つのパラメータを参照値として内部のメモリテーブルを参照し、これらパラメータから特定される一つの電流値を次回の電流量Ｉ_t+1として特定する。

次いでステップＳ１７において、ガス流量推測手段１０２４は、推測されたで燃料電池２０を出力電流量Ｉ_t+1で発電させるために適正な酸化ガス流量ｑ_t+1を推測する演算をする。つまり、内部のメモリテーブルを参照して、次回の制御タイミングにおける電流値Ｉ_t+1の発電に必要な酸化ガス流量ｑ_t+1を決定する。

ステップＳ１８に移行し、ガス流量制御手段１０２５は、酸化ガス流量ｑ_t+1を供給するためのコンプレッサ７５の回転数を演算し、その回転数で駆動させる制御信号をコンプレッサ７５に供給する。なお、この回転数は、時刻ｔ＋１までに酸化ガス流量ｑ_t+1が供給されるであろう回転数とする。

以上の動作により、時刻ｔにおいて、次回の制御タイミングである時刻ｔ＋１における適正な酸化ガス流量ｑ_t+1が推測され、実際にコンプレッサ７５が駆動されるので、時刻ｔ＋１のころには適正な酸化ガス流量ｑ_t+1が供給された状態となる。よって、燃料電池２０の出力電流Ｉは、このフィードフォワード制御により最適化範囲に維持される。

以上、本実施形態によれば、時刻ｔにおいて、低効率運転時における生成水量ｇｔを把握してそれに基づいて次回の制御タイミング（時刻ｔ＋１）における燃料電池２０へのガス供給量ｑ_t+1を制限されるので、ガス供給量が多すぎて過剰な水分が生成され、暖機運転が阻害されることを抑制可能である。

また、本実施形態によれば、時刻ｔの制御タイミングで検出された電圧値Ｖｔ、温度Ｔｔ、そして生成水量ｇｔとに基づき、次回の制御タイミング（時刻ｔ＋１）における電流量Ｉ_t+1が正確に予測でき、その電流量を発生させるために適当なガス供給量ｑ_t+1が把握でき、その供給量で燃料電池２０に酸化ガスが供給されるので、過剰な水分を発生させることなく適正な暖機運転が行える。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用可能である。
上記実施形態では、燃料電池２０の温度として、冷却液の燃料電池出口温度を温度センサ３２により検出していたが、これに限らない。

例えば、上記実施形態のように、生成水量を検出するための温度を冷却液の温度とすると、燃料電池の平均温度に基づき生成水量が検出されるが、燃料電池の特定の部位の温度を検出することとしてもよい。単セルが多数スタックされた燃料電池では、単セルの位置により、相対的に熱が発散しやすかったり生成水量が多くなりやすかったりする。そのため、ガス流量推定上、相対的に不利になる傾向にある単セル、例えば熱が発散しやく低温になる単セルや、生成水量の排出効率が低い単セルを特定しておき、このような単セルにおける温度や水分量を検出して酸化ガス流量制御を行えば、相対的に悪い条件に合わせた制御が行われることになる。

図７に、このように燃料電池２０の中で、相対的に悪条件となりやすい単セルの位置を斜線で示す。図７に示すように、端部に位置する単セルでは、熱が発散しやすい。このような場合、端部に位置する１または複数の単セルをシステム状態の検出対象単セル（群）として特定し、それらの単セル（群）の温度Ｔ、電流Ａ、電圧Ｖを測定して、生成水量の検出、酸化ガス流量の推定を行うことができる。

両端の単セル（群）をシステム状態の検出対象として選択する場合には、酸化ガス流量制御の観点から、いずれか悪い方（例えば温度が低い方）の単セル（群）の検出値に基づき酸化ガス流量を推定することが好ましい。

このように処理すれば、平均的な温度や生成水量に基づいて推定された酸化ガス流量が適切ではない悪条件の単セルにおいて、不都合が発生することを防止できる。

本実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図 本実施形態に係る起動時低効率運転のための機能ブロック図 起動時の経過時間に対する出力電流Ｉおよび生成水量ｇの関係図（定電圧） 生成水量ｇと出力電流Ｉとの関係図（定温度） 生成水量と出力電流との関係図における制御適正曲線の説明図 本実施形態に係る低効率運転の処理フローチャート 変形例におけるガス制限対象となる単セルの位置の説明図

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、３６ 温度センサ、７５ エアコンプレッサ、８０ 制御部、９７ 電圧センサ、９８ 電流センサ

Claims (5)

1. 暖機運転時に燃料電池へのガス供給量を制限して低効率運転を実施する燃料電池システムにおいて、
   該低効率運転時に、該燃料電池において生成される水分量を検出する生成水量検出手段と、
   検出された該水分量に基づいて該燃料電池へのガス供給量を制限するガス供給制限手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記生成水量検出手段は、
   前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   検出された前記出力電流を検出タイミング毎に積算する出力電流積算手段と、
   積算した前記出力電流に基づいて生成水量を推測する生成水量演算手段と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス供給制限手段は、
   前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   推測された前記生成水量、検出された該出力電圧、および検出された前記温度に基づいて、所定時間後の出力電流を推測する次回電流推測手段と、
   推測された該所定時間後の出力電流に基づいて前記燃料電池に供給すべきガス流量を推測するガス流量推測手段と、
   推測された該ガス流量を前記燃料電池に供給するガス供給制御手段と、
   を備えた請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池のなかで相対的に条件が悪くなる部分の状況に基づいて前記水分量を検出する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス供給制限手段は、カソードガスの供給を制限する、
   請求項１または３に記載の燃料電池システム。

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