JP2002134150A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池を
駆動して燃料電池の効率を向上させる。 【解決手段】 電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより
挟んで構成され、酸化剤極側に酸化剤ガスが供給される
とともに、燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃
料電池スタック１に酸化剤ガス及び燃料ガスをコンプレ
ッサ３から供給するときにコンプレッサ３により酸化剤
ガスの圧力を高くすることができる。この燃料電池シス
テムでは、燃料電池スタック１の暖機状態を検出して暖
機が必要なときには、空気圧力を高くするようにコンプ
レッサ３を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば固体高分子
電解質を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した構造の燃
料電池の暖機を調整する燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化
剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータ
で狭持し、これらを複数に亘って積層した燃料電池スタ
ックを用いた燃料電池システムが従来より知られてい
る。この燃料電池システムは、近年、自動車の動力源と
して利用される。

【０００３】車両用燃料電池の始動冷機時に燃料電池を
冷却水を加熱して燃料電池を暖機するものが例えば特開
平７−９４２０２号公報等で知られている。燃料電池に
暖機を与えるには、ヒータを使用して、冷却水の温度を
向上させて燃料電池に供給する手法が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池システ
ムでは、ヒータや圧力を上昇させた加圧空気等の熱によ
り燃料電池に供給する冷却水の温度を上昇させた状態で
循環させて燃料電池の暖機を行っているという構成をと
なっているため、ヒータ駆動等のための多くのエネルギ
ーを消費することが必要となる。したがって、従来の燃
料電池システムでは、燃料電池を駆動する他に、冷却水
の温度を上昇させるというエネルギーが必要となる。

【０００５】また、従来の燃料電池システムでは、冷却
水温度が上昇するのに長時間を要し、従って燃料電池が
暖まるまでに長時間を要するという問題点があった。

【０００６】そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて
提案されたものであり、速やかに燃料電池に暖機を与え
て燃料電池を駆動して燃料電池の効率を向上させること
ができる燃料電池システムを提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、電
解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、
上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上
記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池
と、酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給する
ガス供給手段と、上記ガス供給手段から上記燃料電池に
供給する酸化剤ガスの圧力を高くするガス圧縮手段と、
上記燃料電池に冷却水を供給して上記燃料電池の温度を
下げる燃料電池冷却手段と、上記燃料電池の暖機状態を
検出する暖機状態検出手段と、上記暖機状態検出手段で
検出された暖機状態に基づいて上記燃料電池に暖機が必
要と判定したときに、上記酸化剤ガスの圧力を高くする
ように上記ガス圧縮手段を制御する制御手段とを備え
る。

【０００８】本発明の請求項２に係る燃料電池システム
において、上記暖機状態検出手段は、上記燃料電池の暖
機状態を上記燃料電池からの出力電圧に基づいて検出
し、上記制御手段は、上記燃料電池の出力電圧に基づい
て上記ガス圧縮手段を制御する。

【０００９】本発明の請求項３に係る燃料電池システム
において、上記暖機状態検出手段は、上記燃料電池の暖
機状態を、上記冷却手段により上記燃料電池に供給して
排出された冷却水の温度に基づいて検出し、上記制御手
段は、上記冷却水の温度に基づいて上記ガス圧縮手段を
制御する。

【００１０】本発明の請求項４に係る燃料電池システム
において、上記ガス圧縮手段は、上記燃料電池から排出
された酸化剤ガスが供給される圧力調整弁を有し、当該
圧力調整弁の開閉状態を制御して上記酸化剤の圧力上昇
量を調整する。

【００１１】本発明の請求項５に係る燃料電池システム
において、上記ガス圧縮手段は、上記ガス供給手段から
の酸化剤ガスを圧縮して上記燃料電池に供給する酸化剤
ガス圧縮手段を有する。

【００１２】本発明の請求項６に係る燃料電池システム
は、上記酸化剤ガス圧縮手段と上記燃料電池との間に配
設され、圧力を上昇させた酸化剤ガスを冷却するガス冷
却手段と、上記酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを
上記冷却手段を介して上記燃料電池に供給する第１経路
と、上記酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを直接上
記燃料電池に供給する第２経路とを選択して切り替える
経路選択手段とを更に備え、上記制御手段は、上記暖機
状態検出手段で検出された暖機状態に基づいて上記第１
経路又は第２経路を選択する。

【００１３】本発明の請求項７に係る燃料電池システム
は、上記燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手
段と、上記冷却手段から上記燃料電池に供給する冷却水
の圧力を調整する冷却水圧力調整手段とを更に備え、上
記制御手段は、上記酸化剤ガスの圧力に応じて、燃料ガ
スの圧力を調整するように上記燃料ガス圧力調整手段を
制御するとともに、冷却水の圧力を調整するように上記
冷却水圧力調整手段を制御する。

【００１４】

【発明の効果】本発明の請求項１に係る燃料電池システ
ムによれば、暖機状態検出手段で検出された暖機状態に
基づいて上記燃料電池に暖機が必要と判定したときに、
酸化剤ガスの圧力を高くするようにガス圧縮手段を制御
するので、燃料電池での発電負荷を大きくして燃料電池
の発熱で暖機を促進し、不要な物にエネルギーを奪われ
たり、燃料電池自体が暖まるのに長時間を要することな
く、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池の効率を
向上させることができる。

【００１５】本発明の請求項２に係る燃料電池システム
によれば、燃料電池の暖機状態を燃料電池からの出力電
圧に基づいて検出し、燃料電池の出力電圧に基づいてガ
ス圧縮手段を制御するので、燃料電池の暖機状況を正確
に認識する事ができる。

【００１６】本発明の請求項３に係る燃料電池システム
によれば、上記燃料電池の暖機状態を、冷却手段により
上記燃料電池に供給して排出された冷却水の温度に基づ
いて検出し、冷却水の温度に基づいてガス圧縮手段を制
御するので、燃料電池の暖機状態を正確に認識し、暖機
状況に応じて燃料電池を加熱することができ、速やかに
燃料電池に暖機を与えて燃料電池の効率を向上させるこ
とができる。

【００１７】本発明の請求項４に係る燃料電池システム
によれば、燃料電池から排出された酸化剤ガスが供給さ
れる圧力調整弁を有し、当該圧力調整弁の開閉状態を制
御して酸化剤ガスの圧力上昇量を調整するので、応答遅
延で圧力上昇に時間がかかったり圧力を上げすぎること
無しに、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池の効
率を向上させることができる。

【００１８】本発明の請求項５に係る燃料電池システム
において、ガス圧縮手段は、ガス供給手段から酸化剤ガ
スが供給されて、圧力を上昇させた酸化剤ガスを燃料電
池に供給するので、加圧された酸化剤ガスによる暖機
と、燃料電池からガス圧縮手段を駆動するための発電電
圧を取り出すときの反応熱との相乗効果により速やかに
暖機を行うことができる。

【００１９】本発明の請求項６に係る燃料電池システム
によれば、酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを冷却
手段を介して燃料電池に供給する第１経路と、酸化剤ガ
ス圧縮手段からの酸化剤ガスを直接燃料電池に供給する
第２経路とを、暖機状態に基づいて選択するので、高温
となった酸化剤ガスが燃料電池の許容耐熱温度を超えた
状態で供給されて、燃料電池が破損することを回避する
ことができる。

【００２０】本発明の請求項７に係る燃料電池システム
によれば、酸化剤ガスの圧力に応じて、燃料ガスの圧力
を調整するように燃料ガス圧力調整手段を制御するとと
もに、冷却水の圧力を調整するように冷却水圧力調整手
段を制御するので、酸化剤ガス圧力、燃料ガス圧力、冷
却水圧力の間に圧力差が発生して燃料電池が破損するこ
とを防止して燃料電池の暖機を行うことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００２２】本発明は、例えば図１に示すように構成さ
れる燃料電池システムに適用される。

【００２３】この燃料電池システムは、水素ガス及び燃
料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備え
るものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体
高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃
料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構
造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側
に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、酸化剤
極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電
をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。

【００２４】この燃料電池システムでは、燃料ガスを燃
料電池スタック１に供給して排気する燃料系、空気を燃
料電池スタック１に供給して排気する空気系及び冷却水
を燃料電池スタック１に循環させる水循環系の配管が接
続されて構成されている。

【００２５】この燃料電池システムでは、空気系とし
て、外部からの空気を取り込むときの供給流量を計測す
る空気流量計２、空気を圧縮して送るコンプレッサ３、
燃料電池スタック１に空気を供給するときの空気圧力を
計測する空気圧力センサ４を備える。また、この燃料電
池システムでは、燃料電池スタック１から排気された空
気を液水と水蒸気に分離する空気用気液分離器５、空気
圧力を調整する空気圧力制御弁６とを備える。

【００２６】この燃料電池システムでは、外部からの空
気を空気流量計２を介してコンプレッサ３で圧縮して空
気圧力センサ４を介して燃料電池スタック１に供給し、
燃料電池スタック１からの排気を気液分離器５、空気圧
力制御弁６を介して外部に排気する。

【００２７】また、燃料電池システムでは、燃料系とし
て、燃料ガスを蓄える燃料貯蔵用タンク７、燃料ガスを
循環するためのエゼクタポンプ８、燃料電池スタック１
に供給される燃料ガスの圧力を計測する圧力センサ９を
備える。また、この燃料電池システムでは、燃料電池ス
タック１からの燃料ガスの排気中の液水を取り出す気液
分離器１０、燃料ガスの圧力を調整するための燃料圧力
制御弁１１を更に備える。

【００２８】この燃料電池システムでは、燃料貯蔵用タ
ンク７内の燃料ガスをエゼクタポンプ８、圧力センサ９
を介して燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタッ
ク１からの排気を燃料用気液分離器１０、燃料圧力制御
弁１１を介して外部に排気する。

【００２９】更に、燃料電池システムでは、純水循環系
として、純水の循環経路順に三方弁１２、電動ファンを
備えたラジエータ１３、駆動速度が無段階に調整される
ポンプ１４、燃料電池スタック１に供給される純水圧力
を計測する純水圧力センサ１５がループ状に配設され、
空気用気液分離器５及び燃料用気液分離器１０により取
り出した純水を蓄える貯水タンク１６及び排水用バルブ
１７が設けられる。

【００３０】この燃料電池システムでは、空気用気液分
離器５及び燃料用気液分離器１０により取得した純水が
貯水タンク１６に蓄えられ、燃料電池スタック１を冷却
又は暖機するに際して、貯水タンク１６から純水をポン
プ１４により吸い出して燃料電池スタック１に供給し、
燃料電池スタック１内を循環して三方弁１２に供給され
る。燃料電池システムは、三方弁１２からラジエータ１
３に純水を供給することで更に純水温度を低下させて、
ポンプ１４及び純水圧力センサ１５を介して燃料電池ス
タック１に供給する。また、この燃料電池システムは、
三方弁１２からラジエータ１３に純水を供給せずにラジ
エータ１３をバイパスしてポンプ１４に直接供給して燃
料電池スタック１に供給可能である。

【００３１】また、この燃料電池システムは、空気流量
計２、空気圧力センサ４、圧力センサ９、純水圧力セン
サ１５からのセンサ信号に基づいて、上述した各部を制
御するシステムコントローラ１８を備える。なお、シス
テムコントローラ１８の処理内容については後述する。

【００３２】つぎに、上述の燃料電池システムにおける
システムコントローラ１８の第１の処理について図２を
参照して説明する。

【００３３】図２によれば、システムコントローラ１８
は、運転状態から、燃料電池スタック１から出力される
予定となる予定出力電圧Ｖｓの演算を行う（ステップＳ
１）。

【００３４】次に、システムコントローラ１８は、図示
しない燃料電池スタック１と接続された電圧計で検出し
た発電電圧Ｖｒを検出する（ステップＳ２）。

【００３５】次に、システムコントローラ１８は、ステ
ップＳ１で得た予定出力電圧ＶｓとステップＳ２で得た
発電電圧Ｖｒとを用い、予定出力電圧Ｖｓから発電電圧
Ｖｒを減算することで電圧低下量ΔＶを求める（ステッ
プＳ３）。ここで、システムコントローラ１８は、燃料
電池スタック１の温度と発電電圧Ｖｒとの関係が図３に
示すようになっており、燃料電池スタック１の温度が低
くなるにつれて発電電圧Ｖｒが低下することを認識して
いる。これにより、システムコントローラ１８は、図４
に示す電圧低下量ΔＶと燃料電池スタック１の温度との
関係より、電圧低下量ΔＶに応じた燃料電池スタック１
の温度、すなわち燃料電池スタック１の暖機状態を認識
する。

【００３６】次に、システムコントローラ１８は、電圧
低下量ΔＶが暖機制御しきい値αより大きいか否かを判
定し（ステップＳ４）、電圧低下量ΔＶが第１暖機制御
しきい値αよりも大きいと判断したとき、すなわち燃料
電池スタック１の温度が低いと判断したときには、第１
暖機制御処理を行う（ステップＳ５）。

【００３７】また、システムコントローラ１８は、電圧
低下量ΔＶが暖機制御しきい値αよりも大きくないと判
断したときには、次いで電圧低下量ΔＶが第２暖機制御
しきい値βよりも大きいか否かの判定をする（ステップ
Ｓ６）。システムコントローラ１８は、電圧低下量ΔＶ
が第２暖機制御しきい値βよりも大きいと判定したとき
には第２暖機制御処理をし（ステップＳ７）、大きくな
いと判定したときには第３暖機制御処理をする（ステッ
プＳ８）。

【００３８】ステップＳ５の第１暖機制御処理におい
て、システムコントローラ１８は、速やかに燃料電池ス
タック１の暖機を行うため、駆動速度を上昇させるよう
にコンプレッサ３に制御信号を出力して、空気の圧送圧
力を上昇させることで、空気の温度上昇量を大きくし
て、高温とした空気により燃料電池スタック１の暖機を
促進する。

【００３９】ここで、システムコントローラ１８は、燃
料電池スタック１の温度、すなわち発電電圧Ｖｒによっ
て温度上昇量を変化させるようにコンプレッサ３を制御
する。すなわち、システムコントローラ１８は、図５に
示すように、燃料電池スタック１の温度と圧力上昇量Δ
Ｐとの関係を認識しており、燃料電池スタック１の温度
に応じた圧力上昇量ΔＰを認識してコンプレッサ３の駆
動速度を大きくする。

【００４０】また、システムコントローラ１８は、純水
圧力センサ１５からのセンサ信号に基づいて、燃料電池
スタック１内を循環させる冷却水の圧力を空気の圧力に
合わせるようにポンプ１４を制御する。更に、システム
コントローラ１８は、圧力センサ９からのセンサ信号に
基づいて、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスの圧
力を調整するように燃料圧力制御弁１１を制御する。こ
れは、空気系のみ圧力を上昇させてしまうと燃料電池ス
タック１内部での圧力差が発生して内部からの破損する
ことを防止するため、空気、水素ガス及び純水の圧力差
を発生させないように各部を制御するためである。更に
また、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック
１の内部温度を低下させないために、純水をラジエータ
１３をバイパスして直接ポンプ１４に供給するように三
方弁１２を制御する。

【００４１】ステップＳ６の第２暖機制御処理におい
て、システムコントローラ１８は、ある程度暖機が進ん
でいると判断し、余分なエネルギーを燃料電池スタック
１から放出しないために、空気への加圧を停止するよう
にコンプレッサ３を制御する。また、システムコントロ
ーラ１８は、燃料電池スタック１の温度に応じて、燃料
電池スタック１からの純水をラジエータ１３をバイパス
して直接ポンプ１４に供給するように三方弁１２を制御
する。ただし、システムコントローラ１８は、燃料電池
スタック１内に循環する冷却水の温度低下をさせないた
めに、ラジエータ１３内部のファンを駆動しない制御を
する。

【００４２】ステップＳ８の第３暖機制御処理におい
て、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１
の暖機が十分と判断し、必要以上に燃料電池スタック１
の温度が上昇しないように冷却をする。すなわち、シス
テムコントローラ１８は、燃料電池スタック１からの冷
却水をラジエータ１３に供給するように三方弁１２を制
御するとともに、燃料電池スタック１の温度に応じてラ
ジエータ１３の駆動速度を変化させるように制御して、
燃料電池スタック１の温度を低下させる。

【００４３】このような燃料電池システムでは、第１暖
機制御処理を行うことにより、燃料電池スタック１での
発電負荷を大きくすることができ、燃料電池スタック１
の発熱で暖機を促進する。したがって、この燃料電池シ
ステムによれば、不要な物にエネルギーを奪われたり、
燃料電池スタック１自体が暖まるのに長時間を要するこ
となく、速やかに燃料電池に暖機を与えて燃料電池を駆
動して燃料電池の効率を向上させることができる。

【００４４】また、この燃料電池システムでは、燃料電
池スタック１の暖機状況を発電電圧Ｖｒにより認識して
空気の供給圧力を制御するので、燃料電池スタック１の
暖機状況を正確に認識する事ができる。

【００４５】更に、この燃料電池システムでは、コンプ
レッサ３により空気の圧縮をするので、加圧された空気
による暖機と、燃料電池スタック１からコンプレッサ３
を駆動するための発電電圧を取り出すときの反応熱との
相乗効果により速やかに暖機を行うことができる。

【００４６】更にまた、この燃料電池システムでは、空
気の圧力を高くして燃料電池スタック１に供給している
ときには、燃料電池スタック１内を循環させる冷却水の
圧力及び燃料ガスの圧力を空気圧力と同じ圧力とするの
で、空気圧力、燃料ガス圧力、冷却水圧力の間に圧力差
が発生して燃料電池スタック１が破損することを防止し
て燃料電池スタック１の暖機を行うことができる。

【００４７】なお、本例において、燃料電池スタック１
の温度を検出する手法として、予定出力電圧Ｖｓと発電
電圧Ｖｒとの差を示す電圧低下量ΔＶを用いたが、燃料
電池スタック１から三方弁１２に向かって循環させてい
る冷却水の温度を計測し、計測した温度により燃料電池
スタック１の温度を検出しても良い。このとき、システ
ムコントローラ１８は、図６に示すように、燃料電池ス
タック１からの冷却水の温度に対応した燃料電池スタッ
ク１の温度を認識しており、計測した冷却水温度に基づ
いて燃料電池スタック１の温度を認識する。また、シス
テムコントローラ１８は、燃料電池スタック１の内部に
温度センサを設け、燃料電池スタック１の温度を直接検
出しても良い。これにより、燃料電池システムは、燃料
電池スタック１の暖機状態を正確に認識し、暖機状況に
応じて燃料電池スタック１を加熱することができ、速や
かに燃料電池に暖機を与えて燃料電池を駆動して燃料電
池の効率を向上させることができる。

【００４８】つぎに、システムコントローラ１８による
暖機制御処理の他の例について説明する。上述した第１
暖機制御処理では、空気の圧力制御をコンプレッサ３に
より行う一例について説明したが、コンプレッサ３によ
り圧力制御を行うと、コンプレッサ３の応答遅延により
圧力上昇に時間がかかったり、圧力を上げすぎるおそれ
がある。これに対し、本例での暖機制御処理では、空気
圧力制御弁６により空気の圧力制御をする。

【００４９】空気圧力制御弁６により空気の圧力制御を
行うときのシステムコントローラ１８の処理手順につい
て図７を参照して説明する。

【００５０】図７によれば、システムコントローラ１８
は、燃料電池スタック１の温度が低く暖機制御を行うと
判断すると、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、
燃料電池スタック１の目標とする発電電圧である目標出
力Ｐｗを認識する（ステップＳ１１）。

【００５１】次に、システムコントローラ１８は、ステ
ップＳ１１で得た目標出力Ｐｗに基づいて、空気の目標
圧力ｔＰを得る（ステップＳ１２）。ここで、システム
コントローラ１８は、図８に示す目標出力Ｐｗと目標圧
力ｔＰとの関係を保持しており、ステップＳ１１で得た
目標出力Ｐｗの値に応じて目標圧力ｔＰを得る。このと
き、システムコントローラ１８は、図８を参照して得た
目標圧力ｔＰに、暖機による圧力上昇分を付加して演算
を行う。

【００５２】次に、システムコントローラ１８は、空気
圧力センサ４からのセンサ信号を入力して、暖機処理を
する前の空気圧力である燃料電池前圧力Ｐｓを得て（ス
テップＳ１３）、次いで空気圧力を燃料電池前圧力Ｐｓ
から目標圧力ｔＰとするように空気圧力制御弁６の目標
弁開度ｔＴＶＯを演算する（ステップＳ１４）。

【００５３】次に、システムコントローラ１８は、演算
して得た目標弁開度ｔＴＶＯとするように空気圧力制御
弁６の開閉状態を制御し、空気圧力を目標圧力ｔＰとす
る。

【００５４】このような暖機制御処理をする燃料電池シ
ステムによれば、コンプレッサ３により圧力制御を行っ
たことによりコンプレッサ３の応答遅延で圧力上昇に時
間がかかったり圧力を上げすぎること無しに、速やかに
燃料電池に暖機を与えて燃料電池を駆動して燃料電池の
効率を向上させることができる。

【００５５】つぎに、燃料電池システムの他の構成例に
ついて図９を参照して説明する。なお、上述の図１と同
じものについては同じ符号を付することによりその詳細
な説明を省略する。

【００５６】図９に示す燃料電池システムは、空気を圧
送するコンプレッサ３の燃料電池スタック１側に、空気
流路を切り替える三方弁２１、空気温度を低下させる熱
交換器２２、電動ファンを備えて空気温度を低下させる
ラジエータ２３、ポンプ２４、温度センサ２５が設けら
れる点で図１に示す燃料電池システムと異なる構成を有
している。この燃料電池システムでは、コンプレッサ３
からの空気を三方弁２１、熱交換器２２、ラジエータ２
３、ポンプ２４、温度センサ２５を介して燃料電池スタ
ック１に供給可能であるとともに、三方弁２１、温度セ
ンサ２５を介して空気を燃料電池スタック１に供給可能
に構成されている。すなわち、この燃料電池システムに
おいて、システムコントローラ１８は、三方弁２１を制
御することで、コンプレッサ３からの空気を熱交換器２
２に供給する経路と、コンプレッサ３からの空気を熱交
換器２２をバイパスして温度センサ２５に供給する経路
との間で空気の経路を切り替える。

【００５７】このような構成の燃料電池システムにおい
て、燃料電池スタック１の暖機制御をするときのシステ
ムコントローラ１８の処理手順を図１０を参照して説明
する。

【００５８】図１０によれば、先ず、システムコントロ
ーラ１８は、温度センサ２５からのセンサ信号を検出し
て、暖機制御をする前の燃料電池スタック１の温度であ
る燃料電池前温度Ｔｅを認識する（ステップＳ２１）。
このように暖機制御をする前に空気温度を検出すること
により、燃料電池スタック１に異常高温空気が流入する
ことを防止する。

【００５９】次に、システムコントローラ１８は、三方
弁２１の開度が全開となっているか否かの判定をする
（ステップＳ２２）。ここで、この燃料電池システムで
は、通常の運転状態では三方弁２１を全開状態にしてお
り、熱交換器２２に全ての空気を供給して空気温度を下
げた状態で燃料電池スタック１に供給し、更に冷却水を
増量して冷却性能を増加させるように設定されている。

【００６０】システムコントローラ１８は、三方弁１２
の開度が全開となっていないと判定したときには、次い
でステップＳ２１で検出した燃料電池前温度Ｔｅと冷却
しきい値ａとの比較をし（ステップＳ２３）、空気温度
が冷却しきい値ａよりも大きいと判定したら三方弁２１
を熱交換器２２側に切り替えるように制御する（ステッ
プＳ２４）。

【００６１】また、システムコントローラ１８は、燃料
電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａよりも大きくないと判
定したときには、燃料電池前温度Ｔｅと冷却しきい値ｂ
との比較をする（ステップＳ２５）。システムコントロ
ーラ１８は、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂより
も大きくないと判定したときには燃料電池スタック１が
冷却過剰であると判定して、三方弁２１の熱交換器２２
に供給するバルブを閉操作してバイパス側、すなわち直
接燃料電池スタック１に供給するように制御する（ステ
ップＳ２６）。ここで、システムコントローラ１８は、
開閉動作を複数回に亘って行うように三方弁２１を制御
する。

【００６２】また、システムコントローラ１８は、燃料
電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂよりも大きいときに
は、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａ以下であって
冷却しきい値ｂ以上であるとして暖機制御を行わない。

【００６３】一方、システムコントローラ１８は、ステ
ップＳ２２で三方弁２１の開度が全開となっていると判
定したときには、次いでステップＳ２１で検出した燃料
電池前温度Ｔｅと冷却しきい値ａとの比較をし（ステッ
プＳ２７）、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａより
大きいときには、三方弁２１、熱交換器２２、ラジエー
タ２３を介して供給された空気の流量を増量するように
ポンプ２４を制御する（ステップＳ２８）。これによ
り、システムコントローラ１８は、燃料電池スタック１
に冷却された空気を供給して燃料電池スタック１の温度
を下げる。

【００６４】ステップＳ２２において燃料電池前温度Ｔ
ｅが冷却しきい値ａより大きくないと判定されたときに
は、システムコントローラ１８は、燃料電池前温度Ｔｅ
と冷却しきい値ｂとの比較をし（ステップＳ２９）、燃
料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂよりも大きいと判定
したときには暖機制御を行わず、燃料電池前温度Ｔｅが
冷却しきい値ｂよりも大きくないと判定したときにはポ
ンプ２４の流量を減少させる制御を行う。ここで、シス
テムコントローラ１８は、ポンプ２４の流量が既に最低
流量となっていたときには三方弁２１の熱交換器２２側
の流路のバルブを閉じてバイパス側に切り替える操作を
する（ステップＳ３０）。

【００６５】このような処理をする燃料電池システムに
よれば、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ａ以上、す
なわち燃料電池スタック１の温度が高温であるときには
熱交換器２２、ラジエータ２３及びポンプ２４を制御し
て、空気温度を低下させて燃料電池スタック１に供給
し、燃料電池前温度Ｔｅが冷却しきい値ｂ以下、すなわ
ち燃料電池スタック１の温度が低温であり暖機処理が必
要であるときには熱交換器２２をバイパスしてコンプレ
ッサ３からの空気を直接燃料電池スタック１に供給す
る。したがって、この燃料電池システムでは、コンプレ
ッサ３により加圧して高温とした空気を燃料電池スタッ
ク１に供給して燃料電池スタック１の温度を上昇させる
ことができる。

【００６６】また、この燃料電池スタック１では、燃料
電池前温度Ｔｅ、すなわち燃料電池スタック１の暖機状
況に応じて熱交換器２２をバイパスする空気量を調整す
ることができるため、コンプレッサ３により加圧されて
高温となった空気が燃料電池スタック１の許容耐熱温度
を超えた状態で供給されて、燃料電池スタック１が破損
することを回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した燃料電池システムを示す構成
図である。

【図２】本発明を適用した燃料電池システムにより暖機
制御処理を行うときのシステムコントローラの処理手順
を示すフローチャートである。

【図３】燃料電池スタックからの発電電圧Ｖｒと燃料電
池スタックの温度との関係を示す図である。

【図４】電圧低下量ΔＶと燃料電池スタックの温度との
関係を示す図である。

【図５】燃料電池スタックの温度と圧力上昇量ΔＰとの
関係を示す図である。

【図６】燃料電池スタックから排出された冷却水と燃料
電池スタックの温度との関係を示す図である。

【図７】空気圧力制御弁により空気圧力の制御を行うと
きのシステムコントローラの処理手順を示すフローチャ
ートである。

【図８】燃料電池スタックから出力する電圧の目標出力
Ｐｗと空気圧力制御弁により空気圧力を調整するときの
目標圧力ｔＰとの関係図である。

【図９】本発明を適用した他の燃料電池システムを示す
構成図である。

【図１０】本発明を適用した燃料電池システムにおい
て、燃料電池スタックの暖機制御をするときのシステム
コントローラの処理手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ２ 空気流量計 ３ コンプレッサ ４ 空気圧力センサ ５ 空気用気液分離器 ６ 空気圧力制御弁 ７ 燃料貯蔵用タンク ８ エゼクタポンプ ９ 圧力センサ １０ 燃料用気液分離器 １１ 燃料圧力制御弁 １２ 三方弁 １３ ラジエータ １４ ポンプ １５ 純水圧力センサ １６ 貯水タンク １７ 排水用バルブ １８ システムコントローラ ２１ 三方弁 ２２ 熱交換器 ２３ ラジエータ ２４ ポンプ ２５ 温度センサ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより
   挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給さ
   れるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発
   電する燃料電池と、 酸化剤ガス及び燃料ガスを上記燃料電池に供給するガス
   供給手段と、 上記ガス供給手段から上記燃料電池に供給する酸化剤ガ
   スの圧力を高くするガス圧縮手段と、 上記燃料電池に冷却水を供給して上記燃料電池の温度を
   下げる燃料電池冷却手段と、 上記燃料電池の暖機状態を検出する暖機状態検出手段
   と、 上記暖機状態検出手段で検出された暖機状態に基づいて
   上記燃料電池に暖機が必要と判定したときに、上記酸化
   剤ガスの圧力を高くするように上記ガス圧縮手段を制御
   する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池シス
   テム。
2. 【請求項２】 上記暖機状態検出手段は、上記燃料電池
   の暖機状態を上記燃料電池からの出力電圧に基づいて検
   出し、 上記制御手段は、上記燃料電池の出力電圧に基づいて上
   記ガス圧縮手段を制御することを特徴とする請求項１記
   載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 上記暖機状態検出手段は、上記燃料電池
   の暖機状態を、上記冷却手段により上記燃料電池に供給
   して排出された冷却水の温度に基づいて検出し、 上記制御手段は、上記冷却水の温度に基づいて上記ガス
   圧縮手段を制御することを特徴とする請求項１記載の燃
   料電池システム。
4. 【請求項４】 上記ガス圧縮手段は、上記燃料電池から
   排出された酸化剤ガスが供給される圧力調整弁を有し、
   当該圧力調整弁の開閉状態を制御して上記酸化剤の圧力
   上昇量を調整することを特徴とする請求項１、２又は３
   記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 上記ガス圧縮手段は、上記ガス供給手段
   からの酸化剤ガスを圧縮して上記燃料電池に供給する酸
   化剤ガス圧縮手段を有することを特徴とする請求項１、
   ２又は３記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 上記酸化剤ガス圧縮手段と上記燃料電池
   との間に配設され、圧力を上昇させた酸化剤ガスを冷却
   するガス冷却手段と、 上記酸化剤ガス圧縮手段からの酸化剤ガスを上記冷却手
   段を介して上記燃料電池に供給する第１経路と、上記ガ
   ス圧縮手段からの酸化剤ガスを直接上記燃料電池に供給
   する第２経路とを選択して切り替える経路選択手段とを
   更に備え、 上記制御手段は、上記暖機状態検出手段で検出された暖
   機状態に基づいて上記第１経路又は第２経路を選択する
   ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】 上記燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス
   圧力調整手段と、 上記冷却手段から上記燃料電池に供給する冷却水の圧力
   を調整する冷却水圧力調整手段とを更に備え、 上記制御手段は、上記酸化剤ガスの圧力に応じて、燃料
   ガスの圧力を調整するように上記燃料ガス圧力調整手段
   を制御するとともに、冷却水の圧力を調整するように上
   記冷却水圧力調整手段を制御することを特徴とする請求
   項１記載の燃料電池システム。