JP7774603B2 - 制御装置、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、制御装置、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムに関する。

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池システムに関する研究開発が行われている。

例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの温度が氷点以下の場合に、燃料電池スタックの暖機を行うことが開示されている。また、特許文献１には、低温環境では、バッテリの充電容量が小さくなる傾向にあるため、過充電状態となってバッテリが劣化し易いことが記載されている。

特開２０２１－１９０３０５号公報

より良好な制御装置、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムが求められている。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の第１の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池によって発電された電力を充電可能なバッテリと、を備える燃料電池システムを制御する制御装置であって、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量である酸化剤ガス流量を調整するための弁を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するとともに前記弁を制御して第１流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を起動させる起動ステップと、前記起動ステップの後、前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第１流量よりも小さい第２流量に設定することにより、前記燃料電池の暖機の準備を行う暖機準備ステップと、前記暖機準備ステップの後で、前記第２流量よりも大きい第３流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給した状態で前記燃料電池の暖機を行う暖機ステップと、を行うことが可能である、制御装置である。

本発明の第２の態様は、上述した制御装置を備える燃料電池システムである。

本発明の第３の態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池によって発電された電力を充電可能なバッテリと、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量である酸化剤ガス流量を調整するための弁を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するとともに前記制御部が前記弁を制御して第１流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を起動させる起動ステップと、前記起動ステップの後、前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第１流量よりも小さい第２流量に設定することにより、前記燃料電池の暖機の準備を行う暖機準備ステップと、前記暖機準備ステップの後で、前記第２流量よりも大きい第３流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給した状態で前記燃料電池の暖機を行う暖機ステップと、を含む、燃料電池システムの制御方法である。

本発明の第４の態様は、上述した燃料電池システムの制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、より良好な制御装置、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムを得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２は、燃料電池システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図３は、燃料電池システムの制御方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。

燃料電池システムにおいて燃料電池スタックの暖機を行う場合、燃料電池スタックの起動処理が完了した後で、燃料電池スタックの出力電圧を所定の暖機電圧まで低下させる暖機準備ステップが行われる。この暖機準備ステップでは、燃料電池スタックの発電が行われるため、燃料電池スタックが発電した電力は、バッテリに充電される。しかしながら、バッテリ残量が充分な場合には、暖機準備ステップにおいて燃料電池スタックが発電した電力をバッテリに充電すると、バッテリが過充電状態になるおそれがある。特に、低温環境では、バッテリの充電容量が小さくなる傾向にあるため、暖機準備ステップにおいて燃料電池スタックが発電した電力をバッテリに充電すると、バッテリが過充電状態になり易い。本開示は、燃料電池スタックの暖機を行う場合に、バッテリが過充電状態になることを良好に抑制することを課題とする。

本発明の一実施形態に係る制御装置１０、燃料電池システム１２、燃料電池システム１２の制御方法、およびプログラムについて図面を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態による燃料電池システム１２の構成を示す概略図である。燃料電池システム１２は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。なお、燃料電池システム１２は、車両以外の機器等に搭載されてもよい。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１２は、燃料電池スタック（燃料電池）１４、カソード系装置１６、アノード系装置１８、電源システム１９、および制御装置１０を備える。

燃料電池スタック１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。燃料ガスは、例えば、水素ガスである。燃料ガスは、水素を含む気体である限り、特に限定されない。酸化剤ガスは、例えば、空気である。酸化剤ガスは、酸素を含む気体である限り、空気に限定されない。燃料電池スタック１４は、複数の発電セル２０が積層されて形成される。各発電セル２０は、膜電極構造体（MEA：Membrane Electrode Assembly）２２と、当該膜電極構造体２２を挟持する一対のセパレータ２４ａ、２４ｂとを有する。

膜電極構造体２２は、電解質膜２６と、カソード電極２８と、アノード電極３０とを備える。電解質膜２６は、カソード電極２８とアノード電極３０とによって挟持される。電解質膜２６は、例えば、固体高分子電解質膜である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。なお、詳細な図示は省略するが、カソード電極２８およびアノード電極３０の各々は、電解質膜２６に接合された電極触媒層と、当該電極触媒層に積層されたガス拡散層とを含む。

一方のセパレータ２４ａには、膜電極構造体２２を向く面に、酸化剤ガス流路３２が形成される。酸化剤ガス流路３２は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口部３４および酸化剤ガス出口部３６に連通する。他方のセパレータ２４ｂには、膜電極構造体２２を向く面に、燃料ガス流路３８が形成される。燃料ガス流路３８は、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口部４０および燃料ガス出口部４２に連通する。燃料電池スタック１４には、上述した構成要素以外の構成要素も備えられ得るが、ここでは説明を省略する。

カソード系装置１６は、酸化剤ガス供給ユニット４４、酸化剤ガス供給流路４６、酸化剤ガス排出流路４８、バイパス流路５０、および弁５２を有する。なお、カソード系装置１６には、これらの構成要素以外の構成要素も備えられ得るが、ここでは説明を省略する。

酸化剤ガス供給ユニット４４は、酸化剤ガス供給流路４６に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガス供給ユニット４４としては、例えば、エアポンプまたはエアコンプレッサ等が挙げられる。酸化剤ガス供給流路４６は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口部３４に接続されている。酸化剤ガス供給流路４６は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１４に供給する。

酸化剤ガス排出流路４８は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口部３６に接続されている。酸化剤ガス排出流路４８には、燃料電池スタック１４から排出された酸化剤排ガスが流通する。酸化剤ガス排出流路４８は、酸化剤排ガスを燃料電池システム１２の外部に排出する。

バイパス流路５０は、酸化剤ガス供給流路４６と酸化剤ガス排出流路４８とを互いに繋ぐ。弁５２は、開度を調整可能な開閉弁である。弁５２は、燃料電池スタック１４に供給される酸化剤ガスの流量を調整する。弁５２は、供給弁５４、排出弁５６、およびバイパス弁５８を含む。

供給弁５４は、酸化剤ガス供給流路４６に設けられる。供給弁５４は、酸化剤ガス供給流路４６を開閉する。供給弁５４は、開度を調整可能に構成されている。供給弁５４としえは、例えば、バタフライ弁が挙げられるが、これに限定されない。酸化剤ガス供給流路４６は、供給弁５４よりも上流側の部位である上流側供給流路４６ａと、供給弁５４よりも下流側の部位である下流側供給流路４６ｂとを含む。上流側供給流路４６ａは、酸化剤ガス供給ユニット４４と供給弁５４とを繋ぐ。下流側供給流路４６ｂは、供給弁５４と酸化剤ガス入口部３４とを繋ぐ。

排出弁５６は、酸化剤ガス排出流路４８に設けられる。排出弁５６は、酸化剤ガス排出流路４８を開閉する。排出弁５６は、開度を調節可能に構成されている。排出弁５６としては、例えば、バタフライ弁が挙げられるが、これに限定されない。酸化剤ガス排出流路４８は、排出弁５６よりも上流側の部位である上流側排出流路４８ａと、排出弁５６よりも下流側の部位である下流側排出流路４８ｂとを含む。上流側排出流路４８ａは、酸化剤ガス出口部３６と排出弁５６とを繋ぐ。下流側排出流路４８ｂは、排出弁５６に繋がっている。

バイパス流路５０の一端は、上流側供給流路４６ａに繋がっている。バイパス流路５０の他端は、下流側排出流路４８ｂに繋がっている。バイパス弁５８は、バイパス流路５０に設けられている。バイパス弁５８は、バイパス流路５０を開閉する。バイパス弁５８は、開度を調節可能に構成されている。バイパス弁５８としては、例えば、バタフライ弁が挙げられるが、これに限定されない。

アノード系装置１８は、燃料ガス供給ユニット６０、燃料ガス供給流路６２、燃料ガス排出流路６４、気液分離器６６、循環流路６８、ドレン流路７０、およびドレン弁７２を有する。なお、アノード系装置１８には、これらの構成要素以外の構成要素も備えられ得るが、ここでは説明を省略する。

燃料ガス供給ユニット６０は、燃料ガス供給流路６２に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給ユニット６０は、図示しないインジェクタおよびエジェクタ等を含む。燃料ガス供給流路６２は、燃料ガス供給ユニット６０と燃料電池スタック１４の燃料ガス入口部４０とを接続する。燃料ガス供給流路６２は、燃料ガスを燃料電池スタック１４に供給する。

燃料ガス排出流路６４には、燃料電池スタック１４から排出された燃料排ガスが流通する。燃料排ガスは、燃料電池スタック１４の発電により発生した生成水を含む。気液分離器６６は、燃料ガス排出流路６４に設けられている。気液分離器６６は、燃料排ガスを気液分離する。気液分離器６６は、燃料排ガスから分離された液水を貯留し得る。循環流路６８は、気液分離器６６を流通した燃料排ガスを燃料ガス供給ユニット６０の不図示のエジェクタに導く。循環流路６８を流通する燃料排ガスは、当該エジェクタを介して燃料ガス供給流路６２に流入されることにより燃料ガスとして再利用される。

ドレン流路７０は、気液分離器６６と下流側排出流路４８ｂとを接続する。ドレン流路７０は、気液分離器６６に貯留されている液水を燃料排ガスとともに下流側排出流路４８ｂに導く。ドレン流路７０を流通する燃料排ガスは、下流側排出流路４８ｂを流通する酸化剤排ガスによって希釈された状態で燃料電池システム１２の外部に排出される。ドレン弁７２は、ドレン流路７０に設けられている。ドレン弁７２は、ドレン流路７０を開閉する。

燃料電池システム１２は、図示しない冷却系装置を備える。冷却系装置は、燃料電池スタック１４に冷却媒体を循環させる。冷却媒体としては、例えば、純水、エチレングリコール、オイル等が挙げられる。

電源システム１９は、バッテリ７４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６とを有する。バッテリ７４は、燃料電池スタック１４で発電された電力を充電する。バッテリ７４は、電気負荷７８に対して電力を供給し得る。電気負荷７８は、特に限定されないが、例えば、燃料電池車両を移動させるためのインバータおよびモータ等を有する駆動ユニット、酸化剤ガス供給ユニット４４、燃料ガス供給ユニット６０、エアコンユニット等を含む。バッテリ７４の種類としては、鉛蓄電池およびリチウムイオン二次電池等が挙げられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７６は、燃料電池スタック１４の出力電圧（発電電圧）を昇圧し得る。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６は、燃料電池スタック１４の出力電圧を降圧し得る。

制御装置１０には、温度センサ８０と、電圧センサ８２とが接続されている。制御装置１０には、温度センサ８０および電圧センサ８２以外のセンサが接続され得る。温度センサ８０は、燃料電池スタック１４の温度に対応した温度を逐次計測する。具体的には、温度センサ８０は、例えば、燃料電池スタック１４内を流通する冷却媒体の温度を逐次計測する。電圧センサ８２は、燃料電池スタック１４の出力電圧を逐次計測する。

制御装置１０は、演算部８４と、記憶部８６とを有する。演算部８４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサ（processor）によって構成される。すなわち、演算部８４は、処理回路（processing circuitry）によって構成される。

演算部８４は、制御部８８、取得部９０、および判定部９２を有する。制御部８８、取得部９０、および判定部９２は、記憶部８６に記憶されているプログラムが演算部８４によって実行されることによって実現され得る。

なお、制御部８８、取得部９０、および判定部９２の少なくとも一部が、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路によって実現されるようにしてもよい。また、制御部８８、取得部９０、および判定部９２の少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって構成されるようにしてもよい。

記憶部８６は、不図示の揮発性メモリと、不図示の不揮発性メモリとによって構成される。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）等が挙げられる。揮発性メモリは、プロセッサのワーキングメモリとして使用され、処理または演算に必要なデータ等を一時的に記憶する。不揮発性メモリとしては、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等が挙げられる。不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用され、プログラム、テーブル、マップ等を記憶する。記憶部８６の少なくとも一部が、上述したようなプロセッサ、集積回路等に備えられていてもよい。

制御部８８は、燃料電池システム１２の全体の制御を司る。制御部８８は、燃料ガス供給ユニット６０および酸化剤ガス供給ユニット４４を制御する。制御部８８は、供給弁５４、排出弁５６、およびバイパス弁５８を制御する。制御部８８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６を制御する。取得部９０は、温度センサ８０から供給される信号に基づいて燃料電池スタック１４の温度を把握し得る。取得部９０は、電圧センサ８２から供給される信号に基づいて燃料電池スタック１４の出力電圧を把握し得る。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１２の制御方法の一例について説明する。図２は、燃料電池システム１２の制御方法を説明するためのフローチャートである。

図２の初期状態において、燃料電池スタック１４は、運転を停止している。燃料電池スタック１４の運転が停止した状態で、発電セル２０の酸化剤ガス流路３２に酸素が残留していると、電極触媒層が劣化することがある。そのため、燃料電池スタック１４の運転が停止されている状態で、酸化剤ガス流路３２には、燃料ガスが供給される。これにより、酸化剤ガス流路３２に残存している酸素が燃料ガス中の水素と反応するため、酸化剤ガス流路３２の酸素濃度が低下する。つまり、燃料電池スタック１４を起動する時点において、酸化剤ガス流路３２の酸素濃度は低い状態になっている。燃料電池スタック１４の運転が停止した状態で、供給弁５４および排出弁５６の各々は、酸化剤ガス流路３２への酸化剤ガスの流入を防止するために全閉状態になっている。また、バイパス弁５８は、全開状態になっている。なお、酸化剤ガス流路３２への酸化剤ガスの流入を抑制した状態にて、燃料ガス流路３８に燃料ガスを供給することで、酸化剤ガス流路３２内に残留する酸素を消費する酸素消費制御を行い、燃料電池スタック１４を起動する時点における酸化剤ガス流路３２の酸素濃度を低下させてもよい。

ステップＳ１において、制御装置１０は、燃料電池スタック１４の起動指令を受信する。具体的には、例えば、ユーザが図示しないパワースイッチをオンにした場合に、当該パワースイッチから制御装置１０に起動指令が供給される。取得部９０は、パワースイッチから供給される信号に基づいて起動指令を把握し得る。その後、ステップＳ２に遷移する。すなわち、起動ステップ（ステップＳ２～ステップＳ５）が実施される。

ステップＳ２において、制御部８８は、燃料ガス供給ユニット６０を制御して、燃料ガス供給ユニット６０から燃料ガス供給流路６２に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給流路６２に供給された燃料ガスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス流路３８に導かれる。その後、ステップＳ３に遷移する。

ステップＳ３において、制御部８８は、酸化剤ガス供給ユニット４４を制御して、酸化剤ガス供給ユニット４４から上流側供給流路４６ａに酸化剤ガスを送る。なお、この段階で、供給弁５４は閉じているため、酸化剤ガスは、未だ燃料電池スタック１４に流入していない。その後、ステップＳ４に遷移する。なお、ステップＳ３は、ステップＳ２と同じタイミングで実施されてもよいし、ステップＳ２よりも先に実施されてもよい。

ステップＳ４において、制御部８８は、弁５２を制御して第１流量Ｑ１の酸化剤ガスを燃料電池スタック１４に供給する。具体的には、制御部８８は、供給弁５４、排出弁５６、およびバイパス弁５８の各々を開く。酸化剤ガス供給ユニット４４から上流側供給流路４６ａに供給された酸化剤ガスは、供給弁５４を介して下流側供給流路４６ｂに流れるとともにバイパス流路５０に流れる。下流側供給流路４６ｂに流れた酸化剤ガスは、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス流路３２に導かれる。これにより、酸化剤ガス流路３２に封止されていた燃料ガスが酸化剤ガスによって酸化剤ガス排出流路４８に排出される。酸化剤ガス排出流路４８に導かれる燃料ガスは、バイパス流路５０から導かれた酸化剤ガスによって希釈された状態で燃料電池システム１２の外部に排気される。

燃料電池スタック１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとによる電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１４の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６によって昇圧される。燃料電池スタック１４が発電した電力は、バッテリ７４に充電される。また、燃料電池スタック１４が発電した電力は、酸化剤ガス供給ユニット４４および燃料ガス供給ユニット６０の各々を駆動するために使用され得る。

燃料電池スタック１４は、燃料排ガスを燃料ガス流路３８から燃料ガス排出流路６４に排出するとともに、酸化剤排ガスを酸化剤ガス流路３２から上流側排出流路４８ａに排出する。燃料排ガスは、発電によって発生した生成水を含む。燃料ガス排出流路６４に排出された燃料排ガスは、気液分離器６６に導かれる。気液分離器６６は、燃料排ガスを気液分離する。気液分離器６６から循環流路６８に導かれた燃料排ガスは、燃料ガス供給ユニット６０に戻されて再利用される。気液分離器６６において燃料排ガスから分離された液水は、気液分離器６６に貯留される。

上流側排出流路４８ａに排出された酸化剤排ガスは、排出弁５６を介して下流側排出流路４８ｂに導かれる。下流側排出流路４８ｂに導かれた酸化剤排ガスは、バイパス流路５０から導かれた酸化剤ガスと混合された状態で燃料電池システム１２の外部に排気される。

制御部８８がドレン弁７２を開くと、気液分離器６６に貯留された液水は、燃料排ガスとともにドレン流路７０および下流側排出流路４８ｂを介して燃料電池システム１２の外部に排出される。ドレン流路７０から下流側排出流路４８ｂに導かれた燃料排ガスは、酸化剤ガスおよび酸化剤排ガスによって希釈された状態で燃料電池システム１２の外部に排気される。

燃料電池スタック１４に供給される酸化剤ガスの流量である酸化剤ガス流量は、供給弁５４、排出弁５６、およびバイパス弁５８の各々の開度を調節することによって設定し得る。以下、燃料電池スタック１４に供給される酸化剤ガスの流量を単に「酸化剤ガス流量」と称呼することがある。ステップＳ４では、制御部８８は、供給弁５４、排出弁５６、およびバイパス弁５８の開度を予め決められた所定開度に設定することにより、第１流量Ｑ１の酸化剤ガスを燃料電池スタック１４に供給する。ステップＳ４の後、ステップＳ５に遷移する。

ステップＳ５において、判定部９２は、燃料電池スタック１４の起動処理が完了したか否かを判定する。具体的には、判定部９２は、例えば、燃料電池スタック１４の出力電圧が予め決められた起動電圧Ｖ１に到達したか否かを判定する。燃料電池スタック１４の出力電圧は、取得部９０によって取得される。判定部９２は、燃料電池スタック１４の出力電圧が起動電圧Ｖ１（図３参照）よりも低い場合に、燃料電池スタック１４の起動処理が完了していないと判定する。判定部９２は、燃料電池スタック１４の出力電圧が起動電圧Ｖ１に達した場合に燃料電池スタック１４の起動処理が完了したと判定する。なお、判定部９２は、ステップＳ４を行ってからの経過時間に基づいて燃料電池スタック１４の起動処理が完了したか否かを判定してもよい。

燃料電池スタック１４の起動処理が完了していないと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ５においてＮＯ）には、ステップＳ５が繰り返される。燃料電池スタック１４の起動処理が完了したと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ５においてＹＥＳ）には、ステップＳ６に遷移する。

ステップＳ６において、判定部９２は、燃料電池スタック１４の暖機が必要か否かを判定する。具体的には、判定部９２は、例えば、燃料電池スタック１４の温度が予め決められた第１温度閾値以下であるか否かを判定する。燃料電池スタック１４の温度は、取得部９０によって取得される。第１温度閾値は、例えば、氷点（０℃）に設定し得る。第１温度閾値は、適宜設定可能であって、氷点よりも高くても低くてもよい。判定部９２は、燃料電池スタック１４の温度が第１温度閾値よりも高い場合に燃料電池スタック１４の暖機が必要ないと判定する。判定部９２は、燃料電池スタック１４の温度が第１温度閾値以下である場合に燃料電池スタック１４の暖機が必要であると判定する。

燃料電池スタック１４の暖機が必要ないと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ６においてＮＯ）には、ステップＳ１３に遷移する。燃料電池スタック１４の暖機が必要であると判定部９２によって判定された場合（ステップＳ６においてＹＥＳ）には、ステップＳ７に遷移する。すなわち、暖機準備ステップ（ステップＳ７～ステップＳ１０）が実施される。

ステップＳ７において、制御部８８は、弁５２を制御して酸化剤ガス流量を第１流量Ｑ１よりも小さい第２流量Ｑ２に設定する。具体的には、制御部８８は、供給弁５４を予め決められた供給抑制開度まで閉じるとともに、排出弁５６を予め決められた排出抑制開度まで閉じる。これにより、酸化剤ガス流量が第１流量Ｑ１から第２流量Ｑ２まで減少する。よって、燃料電池スタック１４の発電量が低下する。燃料電池スタック１４の発電量が低下すると、燃料電池スタック１４の出力電圧が降下する。その後、ステップＳ８に遷移する。

ステップＳ８において、判定部９２は、燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了することが見込まれるか否かを判定する。具体的には、判定部９２は、例えば、燃料電池スタック１４の出力電圧が予め決められた電圧閾値Ｖ２（図３参照）以下になったか否かを判定する。電圧閾値Ｖ２は、暖機電圧Ｖ３よりも高い電圧である。判定部９２は、燃料電池スタック１４の出力電圧が電圧閾値Ｖ２よりも高い場合、燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了することが見込まれないと判定する。判定部９２は、燃料電池スタック１４の出力電圧が電圧閾値Ｖ２まで低下した場合、燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了することが見込まれると判定する。なお、判定部９２は、ステップＳ７の実行を開始してからの経過時間に基づいて燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了することが見込まれるか否かを判定してもよい。

燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了することが見込まれないと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ８においてＮＯ）には、ステップＳ８が繰り返される。燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了することが見込まれると判定部９２によって判定された場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）には、ステップＳ９に遷移する。

ステップＳ９において、制御部８８は、弁５２を制御して酸化剤ガス流量を第２流量Ｑ２よりも大きい第３流量Ｑ３に設定する。具体的には、制御部８８は、供給弁５４を予め決められた暖機供給開度まで開くとともに、排出弁５６を予め決められた暖機排出開度まで開く。これにより、酸化剤ガス流量を第２流量Ｑ２から第３流量Ｑ３まで大きくすることができる。その後、ステップＳ１０に遷移する。

ステップＳ１０において、判定部９２は、燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了したか否かを判定する。具体的には、判定部９２は、燃料電池スタック１４の出力電圧が暖機電圧Ｖ３（図３参照）まで降下したか否かを判定する。判定部９２は、燃料電池スタック１４の出力電圧が暖機電圧Ｖ３よりも高い場合、燃料電池スタック１４の暖機の準備が未だ完了していないと判定する。判定部９２は、燃料電池スタック１４の出力電圧が暖機電圧Ｖ３まで降下した場合、燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了したと判定する。なお、判定部９２は、ステップＳ９の実施を開始してからの経過時間に基づいて燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了したか否かを判定してもよい。

燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了していないと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ１０においてＮＯ）には、ステップＳ１０を繰り返す。燃料電池スタック１４の暖機の準備が完了したと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）には、ステップＳ１１に遷移する。すなわち、暖機ステップ（ステップＳ１１およびステップＳ１２）が実施される。

ステップＳ１１において、制御部８８は、燃料電池スタック１４の暖機を行う。具体的には、制御部８８は、燃料電池スタック１４の出力電圧が暖機電圧Ｖ３に維持されるように、弁５２を制御して酸化剤ガス流量を第３流量Ｑ３に維持する。これにより、発電セル２０に供給される酸化剤ガスのストイキ比を予め決められた暖機用ストイキ比にすることができる。暖機用ストイキ比は、燃料電池スタック１４の通常運転時におけるストイキ比よりも小さい。なお、燃料電池スタック１４の通常運転とは、燃料電池スタック１４の暖機を行っていない状態での燃料電池スタック１４の運転をいう。燃料電池スタック１４の通常運転時では、発電セル２０に供給される酸化剤ガスのストイキ比を比較的大きくすることにより、燃料電池スタック１４の熱損失を少なくする。

発電セル２０に供給される酸化剤ガスのストイキ比を暖機用ストイキ比にすることにより、燃料電池スタック１４の低効率発電を実施できる。これにより、燃料電池スタック１４の発熱量（熱損失）が大きくなるため、燃料電池スタック１４の暖機を促進させることができる。ステップＳ１１の後、ステップＳ１２に遷移する。

ステップＳ１２において、判定部９２は、燃料電池スタック１４の暖機が完了したか否かを判定する。具体的には、判定部９２は、燃料電池スタック１４の温度が予め決められた第２温度閾値以上になったか否かを判定する。燃料電池スタック１４の温度は、取得部９０によって取得される。判定部９２は、燃料電池スタック１４の温度が第２温度閾値よりも低い場合に燃料電池スタック１４の暖機が未だ完了していないと判定する。判定部９２は、燃料電池スタック１４の温度が第２温度閾値まで上昇した時に燃料電池スタック１４の暖機が完了したと判定する。なお、判定部９２は、ステップＳ１１の暖機を開始してからの経過時間に基づいて燃料電池スタック１４の暖機が完了したか否かを判定してもよい。

燃料電池スタック１４の暖機が完了していないと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ１２においてＮＯ）には、ステップＳ１２を繰り返す。燃料電池スタック１４の暖機が完了したと判定部９２によって判定された場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）には、ステップＳ１３に遷移する。

ステップＳ１３において、制御部８８は、燃料電池スタック１４の通常運転を行う。具体的には、制御部８８は、燃料電池スタック１４に対する要求電力に基づいて燃料電池スタック１４を電流制御する。こうして、図２に示す処理が完了する。

図３は、燃料電池システム１２の制御方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。具体的には、図３は、燃料電池スタック１４の温度が氷点以下の状態で当該燃料電池スタック１４を起動させる場合のタイミングチャートを示す。

図３に示すように、制御部８８は、起動ステップ、暖機準備ステップ、および暖機ステップを順次行う。また、制御部８８は、起動ステップを開始してから暖機ステップが完了するまで、燃料電池スタック１４の出力電圧が予め決められた電圧指令に沿うように燃料電池スタック１４を電圧制御する。さらに、制御部８８は、起動ステップを開始してから暖機ステップが完了するまで、酸化剤ガス供給ユニット４４および燃料ガス供給ユニット６０を駆動させている。

起動ステップでは、燃料電池スタック１４の出力電圧を予め決められた起動電圧Ｖ１まで上昇させることにより、燃料電池スタック１４を問題なく運転させることができるか否かを確認する。起動ステップは、時刻ｔ１において、燃料電池スタック１４の起動指令を受信することにより開始される。時刻ｔ１において、制御部８８は、酸化剤ガス供給ユニット４４を制御して上流側供給流路４６ａに酸化剤ガスを供給する。なお、燃料電池スタック１４の初期状態で、バイパス弁５８は、全開である。また、時刻ｔ１において、制御部８８は、燃料ガス供給ユニット６０を制御して燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する。

時刻ｔ２において、制御部８８は、例えば、供給弁５４および排出弁５６の各々に対して全開指令を出力することにより供給弁５４および排出弁５６の各々を開く。制御部８８が供給弁５４を開くことにより、燃料電池スタック１４には酸化剤ガスが供給される。また、制御部８８が排出弁５６を開くことにより、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス流路３２に封止されていた燃料ガスが燃料電池スタック１４から排出される。これにより、供給弁５４および排出弁５６の動作を確認できる。また、低温時に供給弁５４および排出弁５６の各々の弁体に凍結物が付着していた場合であっても、開弁動作によって当該凍結物を破壊することができる。

酸化剤ガスが燃料電池スタック１４に供給されると、燃料電池スタック１４は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応による発電を開始する。燃料電池スタック１４が発電を開始すると、燃料電池スタック１４の出力電圧が上昇する。なお、図３では、電圧指令が示され、燃料電池スタック１４の実際の出力電圧については示されていない。

燃料電池スタック１４に供給される流量である酸化剤ガス流量は、供給弁５４の開度が大きくなるほど大きくなる。本実施形態では、時刻ｔ３において、燃料電池スタック１４の出力電圧が起動電圧Ｖ１まで上昇する。ここで、燃料電池スタック１４の出力電圧は、開回路電圧（OCV：Open Circuit Voltage）である。燃料電池スタック１４の出力電圧が起動電圧Ｖ１に達した時の酸化剤ガス流量は、第１流量Ｑ１になっている。時刻ｔ３において、起動ステップが完了する。

暖機準備ステップは、時刻ｔ３から開始される。燃料電池スタック１４を低効率発電により暖機させるためには、燃料電池スタック１４の出力電圧を暖機電圧Ｖ３まで低下させる必要がある。そのため、暖機準備ステップでは、燃料電池スタック１４の出力電圧を暖機電圧Ｖ３まで降下させる。

具体的には、暖機準備ステップでは、時刻ｔ３において、制御部８８は、供給弁５４を供給抑制開度まで閉じるとともに、排出弁５６を排出抑制開度まで閉じる。これにより、時刻ｔ４において、酸化剤ガス流量は、第２流量Ｑ２まで減少する。図３の例では、酸化剤ガス流量が第２流量Ｑ２に維持されるように、供給抑制開度および排出抑制開度の各々は、０度（全閉状態の時の開度）よりも大きな開度に設定される。なお、供給抑制開度および排出抑制開度の各々は、例えば、０度に設定してもよい。この場合、酸化剤ガス流量は、０になる。

酸化剤ガス流量が第２流量Ｑ２まで減少すると、燃料電池スタック１４は、燃料ガス流路３８に残存している酸化剤ガスを消費しながら発電する。そのため、暖機準備ステップにおいて、燃料電池スタック１４の発電量を抑えることができる。これにより、燃料電池スタック１４の出力電圧を低下させることができる。

暖機準備ステップでは、燃料電池スタック１４が発電した電力は、バッテリ７４に供給され得る。バッテリ７４の充電容量は、バッテリ７４の温度が低くなるほど小さくなる。そのため、暖機準備ステップにおいて、バッテリ７４は過充電状態になり易い。しかしながら、暖機準備ステップにおいて燃料電池スタック１４の発電量が抑えられるため、バッテリ７４に供給される電力を少なくできる。よって、バッテリ７４の過充電を抑制できる。また、暖機準備ステップの間、制御部８８が酸化剤ガス供給ユニット４４および燃料ガス供給ユニット６０を駆動させているため、燃料電池スタック１４が発電した電力は、酸化剤ガス供給ユニット４４および燃料ガス供給ユニット６０によって消費される。従って、バッテリ７４の過充電を一層抑制できる。なお、暖機準備ステップでは、バイパス弁５８を開いているため、酸化剤ガス供給ユニット４４から上流側供給流路４６ａに供給された酸化剤ガスを、バイパス流路５０を介して下流側排出流路４８ｂに逃がすことができる。

暖機準備ステップにおいて、制御部８８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７６を制御して燃料電池スタック１４の出力電圧を予め決められたレートで降下させる。バッテリ７４は、低温時に急速充電をすると劣化し易くなる。そのため、燃料電池スタック１４の出力電圧の降下速度（レート）は、バッテリ７４の劣化を防止し得るような大きさに設定される。

時刻ｔ５において、燃料電池スタック１４の出力電圧が予め定められた電圧閾値Ｖ２まで降下すると、制御部８８は、供給弁５４および排出弁５６の各々を開くことにより、酸化剤ガス流量を第３流量Ｑ３まで大きくする。具体的には、制御部８８は、供給弁５４を全開まで開くとともに、排出弁５６を全開よりも小さい開度まで開く。なお、供給弁５４および排出弁５６の各々の開度は適宜設定可能である。また、時刻ｔ５において、制御部８８は、バイパス弁５８を予め決められた所定開度まで閉じる。これにより、酸化剤ガス流量は第３流量Ｑ３まで増加する。

これにより、時刻ｔ６において、燃料電池スタック１４の出力電圧が暖機電圧Ｖ３まで降下した時（暖機準備ステップが終了した時）に、暖機準備ステップから暖機ステップにスムーズに移行させることができる。

暖機ステップは、時刻ｔ６から開始される。暖機ステップでは、制御部８８は、バイパス弁５８の開度をフィードバック制御することにより、燃料電池スタック１４の出力電圧を暖機電圧Ｖ３に維持する。これにより、燃料電池スタック１４を低効率発電により暖機させることができる。本実施形態では、暖機ステップにおいて、供給弁５４および排出弁５６の各々の開度は一定値に設定されているが、供給弁５４および排出弁５６の各々の開度をフィードバック制御することにより燃料電池スタック１４の出力電圧を暖機電圧Ｖ３に維持してもよい。

時刻ｔ７において、制御部８８は、燃料電池スタック１４の暖機が完了することが見込まれた際に、暖機電圧Ｖ３よりも大きな電圧の指令を出力する。これにより、時刻ｔ８において暖機運転が終了した時（時刻ｔ８の時）に、暖機ステップから燃料電池スタック１４の通常運転にスムーズに移行させることができる。

本実施形態によれば、暖機準備ステップにおいて、制御部８８が弁５２を制御して酸化剤ガス流量を第１流量Ｑ１よりも小さい第２流量Ｑ２に設定することにより、燃料電池スタック１４の発電電力を抑えることができる。これにより、暖機準備ステップにおいて、燃料電池スタック１４からバッテリ７４に充電される電力を抑えることができるため、バッテリ７４の過充電を抑制できる。従って、より良好な制御装置１０、燃料電池システム１２、燃料電池システム１２の制御方法、およびプログラムを得ることができる。

上述した開示に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）
制御装置（１０）は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池によって発電された電力を充電可能なバッテリ（７４）と、を備える燃料電池システム（１２）を制御する制御装置であって、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量である酸化剤ガス流量を調整するための弁（５２）を制御する制御部（８８）を有し、前記制御部は、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するとともに前記弁を制御して第１流量（Ｑ１）の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を起動させる起動ステップと、前記起動ステップの後、前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第１流量よりも小さい第２流量（Ｑ２）に設定することにより、前記燃料電池の暖機の準備を行う暖機準備ステップと、前記暖機準備ステップの後で、前記第２流量よりも大きい第３流量（Ｑ３）の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給した状態で前記燃料電池の暖機を行う暖機ステップと、を行うことが可能である。

このような構成によれば、暖機準備ステップにおいて、制御部が弁を制御して酸化剤ガス流量を第１流量よりも小さい第２流量に設定することにより、燃料電池スタックの発電電力を抑えることができる。これにより、暖機準備ステップにおいて、燃料電池スタックからバッテリに充電される電力を抑えることができるため、バッテリの過充電を抑制できる。従って、より良好な制御装置を得ることができる。

（付記２）
付記１に記載の制御装置において、前記暖機準備ステップでは、前記燃料電池の出力電圧が予め決定された電圧閾値（Ｖ２）まで低下した際に、前記制御部が前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第２流量から前記第３流量に設定してもよい。

このような構成によれば、暖機準備ステップから暖機ステップにスムーズに移行させることができる。

（付記３）
付記１または２に記載の制御装置において、前記弁は、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路（４６）に設けられた供給弁（５４）を含み、前記起動ステップでは、前記制御部が前記供給弁を開き、前記暖機準備ステップにおいて前記酸化剤ガス流量を前記第１流量から前記第２流量に設定する際に、前記制御部は、前記供給弁を予め決定された供給抑制開度まで閉じてもよい。

このような構成によれば、暖機準備ステップにおいて、酸化剤ガス流量を第１流量よりも少なくすることができる。

（付記４）
付記３に記載の制御装置において、前記弁は、前記燃料電池から排出された酸化剤排ガスが流通する酸化剤ガス排出流路（４８）に設けられた排出弁（５６）を含み、前記起動ステップでは、前記制御部が前記排出弁を開いてもよい。

このような構成によれば、燃料電池の運転停止中に燃料電池の酸化剤ガス流路に燃料ガスが封止されていた場合であっても、酸化剤ガス流路に存在している燃料ガスをスムーズに排出させることができる。

（付記５）
付記４に記載の制御装置において、前記暖機準備ステップにおいて前記酸化剤ガス流量を前記第１流量から前記第２流量に設定する際に、前記制御部は、前記排出弁を予め決定された排出抑制開度まで閉じてもよい。

このような構成によれば、酸化剤ガス流量が第２流量よりも少なくなることを抑制できる。

（付記６）
付記４または５に記載の制御装置において、前記弁は、前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とを繋ぐバイパス流路（５０）に設けられたバイパス弁（５８）を含み、前記バイパス流路の一端は、前記酸化剤ガス供給流路のうちの前記供給弁よりも上流側の部位（４６ａ）に繋がり、前記バイパス流路の他端は、前記酸化剤ガス排出流路のうちの前記排出弁よりも下流側の部位（４８ｂ）に繋がり、前記暖機準備ステップでは、前記制御部は、前記バイパス弁が開かれた状態を維持してもよい。

このような構成によれば、暖機準備ステップにおいて、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給流路に供給するための酸化剤ガス供給ユニットを駆動させた状態で、酸化剤ガス流量を第１流量から第２流量まで低下させることができる。この場合、燃料電池の発電電力を酸化剤ガス供給ユニットで消費させることができるため、バッテリの過充電を一層抑制できる。

（付記７）
燃料電池システムは、付記１～６のいずれか１つに記載の制御装置を備える。

（付記８）
燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池によって発電された電力を充電可能なバッテリと、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量である酸化剤ガス流量を調整するための弁を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するとともに前記制御部が前記弁を制御して第１流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を起動させる起動ステップと、前記起動ステップの後、前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第１流量よりも小さい第２流量に設定することにより、前記燃料電池の暖機の準備を行う暖機準備ステップと、前記暖機準備ステップの後で、前記第２流量よりも大きい第３流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給した状態で前記燃料電池の暖機を行う暖機ステップと、を行うことが可能である。

（付記９）
プログラムは、付記８に記載の燃料電池システムの制御方法をコンピュータに実行させる。

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０…制御装置 １２…燃料電池システム
１４…燃料電池スタック（燃料電池） ４６…酸化剤ガス供給流路
４６ａ…上流側供給流路 ４６ｂ…下流側供給流路
４８…酸化剤ガス排出流路 ４８ａ…上流側排出流路
４８ｂ…下流側排出流路 ５０…バイパス流路
５２…弁 ５４…供給弁
５６…排出弁 ５８…バイパス弁
７４…バッテリ ８８…制御部
Ｑ１…第１流量 Ｑ２…第２流量
Ｑ３…第３流量 Ｖ１…起動電圧
Ｖ２…電圧閾値 Ｖ３…暖機電圧

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池によって発電された電力を充電可能なバッテリと、
   を備える燃料電池システムを制御する制御装置であって、
   前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量である酸化剤ガス流量を調整するための弁を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、
   前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するとともに前記弁を制御して第１流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を起動させる起動ステップと、
   前記起動ステップの後、前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第１流量よりも小さい第２流量に設定することにより、前記燃料電池の暖機の準備を行う暖機準備ステップと、
   前記暖機準備ステップの後で、前記第２流量よりも大きい第３流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給した状態で前記燃料電池の暖機を行う暖機ステップと、
   を行うことが可能であり、
   前記弁は、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路に設けられた供給弁と、
   前記燃料電池から排出された酸化剤排ガスが流通する酸化剤ガス排出流路に設けられた排出弁と、
   前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とを繋ぐバイパス流路に設けられたバイパス弁と、
   を含み、
   前記バイパス流路の一端は、前記酸化剤ガス供給流路のうちの前記供給弁よりも上流側の部位に繋がり、
   前記バイパス流路の他端は、前記酸化剤ガス排出流路のうちの前記排出弁よりも下流側の部位に繋がり、
   前記起動ステップでは、前記制御部が前記供給弁および前記排出弁を開き、
   前記暖機準備ステップにおいて前記酸化剤ガス流量を前記第１流量から前記第２流量に設定する際に、前記制御部は、前記供給弁を予め決定された供給抑制開度まで閉じるとともに前記バイパス弁が開かれた状態を維持し、
   前記暖機準備ステップの後で前記酸化剤ガス流量を前記第２流量から前記第３流量にする際に前記バイパス弁を予め決定された所定開度まで閉じる、制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記暖機準備ステップでは、前記燃料電池の出力電圧が予め決定された電圧閾値まで低下した際に、前記制御部が前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第２流量から前記第３流量に設定する、制御装置。
3. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記暖機準備ステップにおいて前記酸化剤ガス流量を前記第１流量から前記第２流量に設定する際に、前記制御部は、前記排出弁を予め決定された排出抑制開度まで閉じる、制御装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の制御装置を備える、燃料電池システム。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池によって発電された電力を充電可能なバッテリと、
   前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量である酸化剤ガス流量を調整するための弁を制御する制御部と、
   を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するとともに前記制御部が前記弁を制御して第１流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池を起動させる起動ステップと、
   前記起動ステップの後、前記弁を制御して前記酸化剤ガス流量を前記第１流量よりも小さい第２流量に設定することにより、前記燃料電池の暖機の準備を行う暖機準備ステップと、
   前記暖機準備ステップの後で、前記第２流量よりも大きい第３流量の前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給した状態で前記燃料電池の暖機を行う暖機ステップと、
   を含み、
   前記弁は、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路に設けられた供給弁と、
   前記燃料電池から排出された酸化剤排ガスが流通する酸化剤ガス排出流路に設けられた排出弁と、
   前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とを繋ぐバイパス流路に設けられたバイパス弁と、
   を含み、
   前記バイパス流路の一端は、前記酸化剤ガス供給流路のうちの前記供給弁よりも上流側の部位に繋がり、
   前記バイパス流路の他端は、前記酸化剤ガス排出流路のうちの前記排出弁よりも下流側の部位に繋がり、
   前記起動ステップでは、前記制御部が前記供給弁および前記排出弁を開き、
   前記暖機準備ステップにおいて前記酸化剤ガス流量を前記第１流量から前記第２流量に設定する際に、前記制御部は、前記供給弁を予め決定された供給抑制開度まで閉じるとともに前記バイパス弁が開かれた状態を維持し、
   前記暖機準備ステップの後で前記酸化剤ガス流量を前記第２流量から前記第３流量にする際に前記バイパス弁を予め決定された所定開度まで閉じる、燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。