JP2004146100A

JP2004146100A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2004146100A
Application number: JP2002306914A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Saito; 齋藤　友宏; Toshiyuki Kawai; 河合　利幸
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP3938003B2

Abstract

【課題】外部加湿器によって加湿を行うことが困難な環境下においても燃料電池内の水分保持を可能にする。
【解決手段】燃料電池１０に酸化ガスを供給する空気ポンプ３１が、燃料電池１０から供給される電力によって作動する燃料電池システムにおいて、燃料電池１０の出力が空気ポンプ３１の必要電力以上になるように酸化ガス供給量を制御可能な範囲で、酸化ガスが通過する酸素経路３０の圧力を高圧に制御する。酸素経路３０の圧力を高めることにより、燃料電池自身の生成水の蒸発を抑制して、蒸気となって外部に出ていく水分量を減少させることができ、燃料電池内の水分保持が可能になる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質膜を有する燃料電池では、電解質膜が乾燥すると膜抵抗が増大して出力が低下するため、外部加湿器により加湿を行って電解質膜に水分を保持させるようにしている。
【０００３】
一方、燃料電池に酸化ガスを供給する空気ポンプは電動モータにて駆動され、燃料電池の起動時には、蓄電池から電動モータに電力が供給され、燃料電池の起動後には、燃料電池から電動モータに電力が供給されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、氷点下において燃料電池システムを起動する場合、外部加湿器が凍結しているため外部加湿器によって加湿を行うことは困難である。
【０００５】
そこで、本発明は、外部加湿器によって加湿を行うことが困難な環境下においても燃料電池内の水分保持を可能にすることを第１の目的とする。
【０００６】
また、本発明は燃料電池に供給される酸化ガスあるいは燃料ガスの圧力を高くすることによって第１の目的を達成するものであるが、燃料電池にガスを供給するためのガス供給手段が電動式の場合、ガス供給手段の使用電力はガス圧力が高くなるほど増加し、燃料電池の起動時の電力供給源である電力貯蔵手段への負荷が増加してしまうという新たな問題が生じてしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、第１の目的を達成しつつ、燃料電池の起動時における電力貯蔵手段への負荷を小さくすることを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に供給される酸化ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方のガス供給量を制御すると共に、燃料電池から供給される電力によって作動するガス供給手段（３１、４１）と、燃料電池（１０）に供給される酸化ガスが通過する酸素経路（３０）内あるいは燃料ガスが通過する燃料経路（４０）内の少なくとも一方のガス圧力を制御するガス圧力制御手段（３２、４２）とを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の出力がガス供給手段（３１、４１）の必要電力以上になるようにガス供給量を制御可能な範囲で、ガス圧力を高圧に制御することを特徴とする。
【０００９】
これによると、ガス圧力を高めることにより、燃料電池自身の生成水の蒸発を抑制して、蒸気となって外部に出ていく水分量を減少させることができる。従って、外部加湿器によって加湿を行うことが困難な環境下においても燃料電池内の水分保持が可能になり、電解質膜の乾燥による出力低下を防止することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（１０）と、電気エネルギーを蓄えた電力貯蔵手段（２０）と、燃料電池（１０）に供給される酸化ガスあるいは燃料ガスの少なくとも一方のガス供給量を制御すると共に、燃料電池（１０）および電力貯蔵手段（２０）から供給される電力によって作動するガス供給手段（３１、４１）と、燃料電池（１０）に供給される酸化ガスが通過する酸素経路（３０）内あるいは燃料ガスが通過する燃料経路（４０）内の少なくとも一方のガス圧力を制御するガス圧力制御手段（３２、４２）とを備え、燃料電池（１０）の起動時には、電力貯蔵手段（２０）からガス供給手段（３１、４１）に電力が供給され、燃料電池（１０）の起動後には、燃料電池（１０）からガス供給手段（３１、４１）に電力が供給される燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の起動時には、ガス供給量を燃料電池（１０）の起動に必要な量に制御可能な範囲で、ガス圧力を低圧に制御し、燃料電池（１０）の起動後には、燃料電池（１０）の出力がガス供給手段（３１、４１）の必要電力以上になるようにガス供給量を制御可能な範囲で、ガス圧力を高圧に制御することを特徴とする。
【００１１】
これによると、燃料電池の起動時にはガス圧力を低めることにより、燃料電池の起動時における電力貯蔵手段への負荷を小さくすることができ、また、燃料電池の起動後にはガス圧力を高めることにより、電解質膜の乾燥による出力低下を防止することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、燃料電池（１０）の起動後には、ガス供給量を、ガス供給手段（３１、４１）の必要電力分を燃料電池（１０）に出力させるために必要な最少限の量に制御すると共に、ガス供給量を最少限の量に制御可能な範囲でガス圧力を高圧に制御することを特徴とする。
【００１３】
これによると、ガス供給量を必要最少限にしているため、燃料電池内の水分が供給ガスによって外部に排出されるのを抑制できると共に、ガス圧力を高圧に制御しているため、燃料電池自身の生成水の蒸発を抑制できる。従って、それらが相俟って、外部加湿器によって加湿を行うことが困難な環境下においても燃料電池内の水分保持が確実に可能になり、電解質膜の乾燥による出力低下を確実に防止することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、燃料電池（１０）と熱交換する熱媒体を循環させる熱媒体循環手段（５１ａ）を備え、熱媒体循環手段（５１ａ）は、燃料電池（１０）から電力が供給されて作動するものであることを特徴とする。
【００１５】
これによると、熱媒体循環手段の必要電力分、燃料電池の出力を増加させることになるため、燃料電池の発熱量が増加して、燃料電池の暖機が促進される。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図で、この燃料電池システムは、例えば燃料電池を電源として走行する電気自動車に適用される。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１０１が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。各セル１０１は、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。そして、燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
【００１９】
（燃料極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（空気極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
この燃料電池１０で発生した電気エネルギーは、電気負荷（図示せず）や充放電可能な蓄電池２０等の電気機器に供給される。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータが電気負荷の１つに相当する。また、蓄電池２０は、燃料電池１０から供給された電気エネルギーを蓄えると共に、蓄えた電気エネルギーを各種の電気負荷に供給するものであり、本発明の電力貯蔵手段に相当する。
【００２０】
燃料電池１０と蓄電池２０との間には、電圧変換を行う電力変換手段に相当するＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、燃料電池１０の電圧を検出する電圧検出手段に相当する電圧センサ１２と、燃料電池１０の電流を検出する電流センサ１３を備えている。
【００２１】
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための酸素経路３０と、燃料電池１０の燃料極（負極）側に水素を供給するための燃料経路４０が設けられている。酸素経路３０は燃料電池１０内部において空気が通過する部位を含み、燃料経路４０は燃料電池１０内部において水素が通過する部位を含む。そして、上記した電気化学反応により生成水が発生し、このため、燃料電池１０内部における酸素経路３０および燃料経路４０には水分が存在することとなる。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２２】
酸素経路３０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ３１が設けられており、その回転数を変動させることで空気供給量（酸素供給量）を調整することができる。この空気ポンプ３１は、電動モータ（図示せず）にて駆動され、燃料電池１０の起動時には、蓄電池２０から電動モータに電力が供給され、燃料電池１０の起動後には、燃料電池１０から電動モータに電力が供給されるようになっている。なお、空気ポンプ３１は本発明のガス供給手段に相当する。
【００２３】
酸素経路３０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力、換言すると酸素経路３０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁３２が設けられている。因みに、供給空気は空気ポンプ３１にて加圧されるので、空気調圧弁３２の開度を小さくすることで酸素経路３０内の空気圧を高くすることができ、開度を大きくすることで空気圧を低くすることができる。なお、空気調圧弁３２は本発明のガス圧力制御手段に相当する。
【００２４】
燃料経路４０の最上流部には、水素貯蔵部（図示せず）内の水素を燃料電池１０に圧送するための水素ポンプ４１が設けられており、その回転数を変動させることで水素供給量を調整することができる。この水素ポンプ４１は、電動モータ（図示せず）にて駆動され、燃料電池１０の起動時には、蓄電池２０から電動モータに電力が供給され、燃料電池１０の起動後には、燃料電池１０から電動モータに電力が供給されるようになっている。因みに、水素貯蔵部としては、例えば改質反応により水素を生成する改質装置、あるいは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。なお、水素ポンプ４１は本発明のガス供給手段に相当する。
【００２５】
燃料経路４０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される水素の圧力、換言すると燃料経路４０内の水素の圧力を調整するための水素調圧弁４２が設けられている。因みに、供給水素は水素ポンプ４１にて加圧されるので、水素調圧弁４２の開度を小さくすることで燃料経路４０内の水素圧を高くすることができ、開度を大きくすることで水素圧を低くすることができる。なお、水素調圧弁４２は本発明のガス圧力制御手段に相当する。
【００２６】
制御部（ＥＣＵ）６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部６０は、各センサ１２、１３からの信号に基づいて演算を行い、その演算結果に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１、空気ポンプ３１、空気調圧弁３２、水素ポンプ４１、および水素調圧弁４２に制御信号を出力する。
【００２７】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムの作動について、図２〜図４に基づいて説明する。図２〜図４は、制御部６０にて実行される制御のうちの一部について、その手順を示すフローチャートである。
【００２８】
まず、燃料電池１０の起動時には、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを検出し（ステップＳ１００）、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが第１設定温度Ｔｌｏｗ未満であるか否かを判定し（ステップＳ１０１）、その判定結果に応じて、目標とする燃料電池１０の動作電圧Ｖｆｃを、第１設定電圧Ｖ１若しくは第２設定電圧Ｖ２（但し、Ｖ１＞Ｖ２）のいずれかに設定する（ステップＳ１０２、ステップＳ１０３）。ここで、第１設定温度Ｔｌｏｗを０℃とすることにより、氷点下環境下での出力性能が低い状態において動作電圧Ｖｆｃが高く設定される。
【００２９】
次に、この動作電圧Ｖｆｃに対する燃料電池１０の電流Ｉｆｃおよび電力Ｗｆｃを推定する（ステップＳ１０４）。次に、推定した燃料電池１０の電流Ｉｆｃに対して必要な燃料ガス供給量Ｑｈおよび酸化ガス供給量Ｑａｉｒを、燃料電池１０の電流Ｉｆｃに基づいて決定する（ステップＳ１０５）。ここでは、一般的に理論計算式から必要なガス供給量を算出するが、このガス供給量に所定の過剰率を設けてもよい。
【００３０】
次に、目標とする燃料経路４０内での燃料ガスの圧力Ｐｈを決定する（ステップＳ１０６）。ここでは、初期設定圧力Ｐ１に設定する。次に、決定した燃料ガス供給量Ｑｈおよび燃料ガス圧力Ｐｈから、燃料ガス供給のための補機（本例では水素ポンプ４１）の駆動に必要な電力Ｗｈを算出する（ステップＳ１０７）。
【００３１】
次に、目標とする酸素経路３０内での酸化ガスの圧力Ｐａｉｒを決定する（ステップＳ１０８）。ここでは、初期設定圧力Ｐ１に設定する。次に、決定した酸化ガス供給量Ｑａｉｒおよび酸化ガス圧力Ｐａｉｒから、酸化ガス供給のための補機（本例では空気ポンプ３１）の駆動に必要な電力Ｗａｉｒを算出する（ステップＳ１０９）。
【００３２】
次に、燃料電池１０の推定電力Ｗｆｃから、燃料ガス供給補機の必要電力Ｗｈおよび酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒを減算して、電力差ΔＷを算出する（ステップＳ１１０）。
【００３３】
次に、電力差ΔＷの絶対値が設定電力差Ｗｄｉｆ以上であれば（ステップＳ１１１がＮＯ）、電力差ΔＷに基づいて酸化ガス圧力Ｐａｉｒを補正する（ステップＳ１１２）。具体的には、電力差ΔＷが正の値であるときは、酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒを増加させるために酸化ガス圧力Ｐａｉｒを上昇させ、一方、電力差ΔＷが負の値であるときは、酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒを減少させるために酸化ガス圧力Ｐａｉｒを低下させる。
【００３４】
ここで、実際の酸化ガス供給量は、空気ポンプ３１への供給電力や、酸素経路３０内での酸化ガスの圧力によって変化する。従って、空気ポンプ３１への供給電力がある範囲に制限されている状態で、酸化ガス供給量を目標とする量に制御するには、酸素経路３０内での酸化ガスの圧力を所定の範囲の圧力（Ｐｍｉｎ〜Ｐｍａｘ）に制御する必要がある。以下、本実施形態では、酸化ガス供給量を目標とする量に制御可能な酸化ガスの圧力範囲のうち、最低圧力をガス最低圧力Ｐｍｉｎ、最高圧力をガス最高圧力Ｐｍａｘという。
【００３５】
そして、ステップＳ１１２で算出した酸化ガス圧力Ｐａｉｒがガス最低圧力Ｐｍｉｎと等しくない場合は（ステップＳ１１３がＮＯ）、ステップＳ１０９〜ステップＳ１１３の処理を繰り返す。これにより、燃料電池１０の起動時には、酸化ガス供給量Ｑａｉｒを燃料電池１０の起動に必要な量に制御可能な範囲で、酸化ガス圧力Ｐａｉｒを低圧に制御する。
【００３６】
次に、電力差ΔＷの絶対値が設定電力差Ｗｄｉｆ未満になった場合（ステップＳ１１１がＹＥＳ）、あるいは、ステップＳ１１２で算出した酸化ガス圧力Ｐａｉｒがガス最低圧力Ｐｍｉｎと等しくなった場合は（ステップＳ１１３がＹＥＳ）、燃料ガス供給量Ｑｈから燃料ガス供給補機制御量Ｘｑｈを算出し、酸化ガス供給量Ｑａｉｒから酸化ガス供給補機制御量Ｘｑａｉｒを算出する（ステップＳ１１４）。具体的には、燃料ガス供給補機制御量Ｘｑｈとして水素ポンプ４１の回転数を算出し、酸化ガス供給補機制御量Ｘｑａｉｒとして空気ポンプ３１の回転数を算出する。
【００３７】
次に、燃料ガス圧力Ｐｈと燃料ガス供給量Ｑｈとに基づいて燃料ガス圧力調整量Ｘｐｈを算出し、酸化ガス圧力Ｐａｉｒと酸化ガス供給量Ｑａｉｒとに基づいて酸化ガス圧力調整量Ｘｐａｉｒを算出する（ステップＳ１１５）。具体的には、燃料ガス圧力調整量Ｘｐｈとして水素調圧弁４２の開度を算出し、酸化ガス圧力調整量Ｘｐａｉｒとして空気調圧弁３２の開度を算出する。
【００３８】
次に、燃料電池１０の動作電圧Ｖｆｃから動作電圧制御量Ｘｖを算出する（ステップＳ１１６）。動作電圧制御量Ｘｖは、具体的には、各ポンプ３１、４１や各調圧弁３２、４２への印加電圧を所定電圧に制御するための、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の制御量である。
【００３９】
次に、ステップＳ１１４〜ステップＳ１１６で算出した各制御量を出力し、各ポンプ３１、４１、各調圧弁３２、４２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１１を作動させる（ステップＳ１１７）。
【００４０】
次に、燃料電池１０の実電圧Ｖｄｅｔを電圧センサ１２で検出すると共に、燃料電池１０の実電流Ｉｄｅｔを電流センサ１３で検出し（ステップＳ１１８）、実電圧Ｖｄｅｔと実電流Ｉｄｅｔとに基づいて燃料電池１０の実電力Ｗｄｅｔを算出する（ステップＳ１１９）。
【００４１】
次に、この実電力Ｗｄｅｔと推定電力Ｗｆｃとの差の絶対値が設定電力差Ｗｄｉｆ以上であれば（ステップＳ１２０がＮＯ）、実電力Ｗｄｅｔと推定電力Ｗｆｃとにずれがあると判断し、実電力Ｗｄｅｔおよび実電流Ｉｄｅｔを初期条件として再設定した上で（ステップＳ１２１）、実電力Ｗｄｅｔと推定電力Ｗｆｃとの差の絶対値が設定電力差Ｗｄｉｆ未満になるまで（ステップＳ１２０がＹＥＳ）、ステップＳ１１８〜ステップＳ１３２の処理を繰り返す。
【００４２】
すなわち、再設定した電流Ｉｆｃに基づいて燃料ガス供給量Ｑｈおよび酸化ガス供給量Ｑａｉｒを決定し（ステップＳ１２２）、燃料ガス供給量Ｑｈおよび燃料ガス圧力Ｐｈから、燃料ガス供給のための補機の駆動に必要な電力Ｗｈを算出し（ステップＳ１２３）、酸化ガス供給量Ｑａｉｒおよび酸化ガス圧力Ｐａｉｒから、酸化ガス供給のための補機の駆動に必要な電力Ｗａｉｒを算出する（ステップＳ１２４）。
【００４３】
次に、燃料電池１０の推定電力Ｗｆｃから、燃料ガス供給補機の必要電力Ｗｈおよび酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒを減算して、電力差ΔＷを算出する（ステップＳ１２５）。
【００４４】
次に、電力差ΔＷの絶対値が設定電力差Ｗｄｉｆ以上であれば（ステップＳ１２６がＮＯ）、電力差ΔＷに基づいて酸化ガス圧力Ｐａｉｒを補正する（ステップＳ１２７）。具体的には、電力差ΔＷが正の値であるときは、酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒを増加させるために酸化ガス圧力Ｐａｉｒを上昇させ、一方、電力差ΔＷが負の値であるときは、酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒを減少させるために酸化ガス圧力Ｐａｉｒを低下させる。
【００４５】
そして、ステップＳ１２７で算出した酸化ガス圧力Ｐａｉｒがガス最高圧力Ｐｍａｘと等しくない場合は（ステップＳ１２８がＮＯ）、ステップＳ１２４〜ステップＳ１２８の処理を繰り返す。これにより、燃料電池１０の起動後には、燃料電池１０の出力が各ポンプ３１、４１の駆動に必要な電力と略等しくなるように、酸化ガス供給量Ｑａｉｒを制御可能な範囲で、酸化ガス圧力Ｐａｉｒを高圧に制御する。
【００４６】
次に、電力差ΔＷの絶対値が設定電力差Ｗｄｉｆ未満になった場合（ステップＳ１２６がＹＥＳ）、あるいは、ステップＳ１２７で算出した酸化ガス圧力Ｐａｉｒがガス最高圧力Ｐｍａｘと等しくなった場合は（ステップＳ１２８がＹＥＳ）、燃料ガス供給量Ｑｈから燃料ガス供給補機制御量Ｘｑｈを算出し、酸化ガス供給量Ｑａｉｒから酸化ガス供給補機制御量Ｘｑａｉｒを算出し（ステップＳ１２９）、燃料ガス圧力Ｐｈと燃料ガス供給量Ｑｈとに基づいて燃料ガス圧力調整量Ｘｐｈを算出し、酸化ガス圧力Ｐａｉｒと酸化ガス供給量Ｑａｉｒとに基づいて酸化ガス圧力調整量Ｘｐａｉｒを算出する（ステップＳ１３０）。
【００４７】
次に、燃料電池１０の動作電圧Ｖｆｃから動作電圧制御量Ｘｖを算出し（ステップＳ１３１）、ステップＳ１２９〜ステップＳ１３１で算出した各制御量を出力し、各ポンプ３１、４１、各調圧弁３２、４２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１１を作動させる（ステップＳ１３２）。
【００４８】
次に、上記したステップＳ１１８〜ステップＳ１３２の処理によりステップＳ１２０がＹＥＳになると、燃料電池１０の温度Ｔｆｃを検出し（ステップＳ１３３）、燃料電池１０の温度Ｔｆｃが第２設定温度Ｔｈｉｇｈ（但し、Ｔｈｉｇｈ＞Ｔｌｏｗ）を超えていれば（ステップＳ１３４がＹＥＳ）、燃料電池１０の暖機完了とみなして通常運転モードに移行する（ステップＳ１３５）。
【００４９】
本実施形態によると、燃料電池１０の出力が、燃料電池１０の自立運転に必要となる空気ポンプ３１および水素ポンプ４１の電力と等しくなるようにできるため、特別な補助電源に依存することなく、起動直後からの自立運転が可能となる。
【００５０】
また、燃料電池１０の起動時には、酸化ガス供給量Ｑａｉｒを燃料電池１０の起動に必要な量に制御可能な範囲で、酸化ガス圧力Ｐａｉｒを低圧に制御しているため、燃料電池１０の起動時における蓄電池２０への負荷を小さくすることができる。
【００５１】
また、燃料電池１０の起動後には、燃料電池１０の出力が各ポンプ３１、４１の駆動に必要な電力と略等しくなるように、酸化ガス供給量Ｑａｉｒを制御可能な範囲で、酸化ガス圧力Ｐａｉｒを高圧に制御しているため、燃料電池自身の生成水の蒸発を抑制して、蒸気となって外部に出ていく水分量を減少させることができる。従って、外部加湿器によって加湿を行うことが困難な環境下においても燃料電池１０内の水分保持が可能になり、電解質膜の乾燥による出力低下を防止することができる。
【００５２】
また、各ポンプ３１、４１の駆動に必要な電力分を燃料電池１０に出力させるために必要な最低限の量に、燃料ガス供給量Ｑｈおよび酸化ガス供給量Ｑａｉｒを制御することができるため、燃料電池内の水分が供給ガスによって外部に排出されるのを抑制できる。
【００５３】
なお、本実施形態では、燃料ガス供給手段として水素ポンプ４１を用いたが、燃料ガス供給手段として、水素ポンプ４１の代わりに、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を一定圧に調整するレギュレータを用いてもよい。この場合、図２〜図４のフローチャートにおいて、燃料ガス供給補機の必要電力Ｗｈ＝０にすると共に、燃料ガス供給量Ｑｈを決定するステップを省略することができる。
【００５４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５〜図７に基づいて説明する。本実施形態は、上記第１実施形態と比較して、燃料電池１０を加熱・冷却する加熱冷却システムを設けた点が相違する。なお、上記第１実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
図５に示すように、加熱冷却システムは、冷却水を燃料電池１０に循環させるための熱媒体循環経路５０、熱媒体循環経路５０内で冷却水を循環させる熱媒体循環手段に相当する循環ポンプ５１、冷却水を加熱するための加熱手段に相当するヒータ５２、冷却水を冷却するための冷却手段に相当するラジエータ５３、冷却水の温度を検出して燃料電池１０の温度を間接的に検出する温度検出手段に相当する温度センサ５４を備えている。
【００５６】
熱媒体循環経路５０を循環する冷却水は、燃料電池１０を構成する各セル１０１を通過するように構成されている。循環ポンプ５１は、図示しない電動モータにて駆動され、燃料電池１０から電力が供給されて作動する。ヒータ５２としては、例えば電気ヒータ、燃焼式ヒータ等を用いることができる。冷却水としては、一般的な不凍液冷却水を用いることができる。
【００５７】
そして、低温起動時においては、ヒータ５２にて加熱した冷却水を循環させることにより、燃料電池１０の暖機を促進する。暖機完了後は、ラジエータ５３にて冷却した冷却水を循環させることにより、燃料電池１０の温度を一定温度（例えば８０℃程度）に維持して、高い発電効率を得るようにしている。
【００５８】
図６および図７は、制御部６０にて実行される制御の手順を示すフローチャートである。第１実施形態に比較して、ステップＳ２００、Ｓ２０１、Ｓ２１０、およびＳ２１１を追加し、ステップＳ１１０およびＳ１２５をステップＳ１１０ａおよびＳ１２５ａに変更している。
【００５９】
まず、ステップＳ１００〜Ｓ１０５（図２参照）、ステップＳ１０６、およびステップＳ１０７に続いて、熱媒体循環経路５０内での冷却水の循環量Ｑｃを決定し（ステップＳ２００）、循環量Ｑｃから、熱媒体循環補機（本例では循環ポンプ５１）の駆動に必要な電力Ｗｃを算出する（ステップＳ２０１）。ステップＳ１１０ａでは、燃料電池１０の推定電力Ｗｆｃから、燃料ガス供給補機の必要電力Ｗｈ、酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒ、および熱媒体循環補機の必要電力Ｗｃを減算して、電力差ΔＷを算出する。そして、ステップＳ１１１およびＳ１１２では、この電力差ΔＷに基づいて演算処理を行う。
【００６０】
また、ステップＳ１２３に続いて、熱媒体循環経路５０内での冷却水の循環量Ｑｃを決定し（ステップＳ２１０）、循環量Ｑｃから、熱媒体循環補機の駆動に必要な電力Ｗｃを算出する（ステップＳ２１１）。ステップＳ１２５ａでは、燃料電池１０の推定電力Ｗｆｃから、燃料ガス供給補機の必要電力Ｗｈ、酸化ガス供給補機の必要電力Ｗａｉｒ、および熱媒体循環補機の必要電力Ｗｃを減算して、電力差ΔＷを算出する。そして、ステップＳ１２６およびＳ１２７では、この電力差ΔＷに基づいて演算処理を行う。
【００６１】
本実施形態によると、循環ポンプ５１の必要電力分、燃料電池１０の出力を増加させることになるため、燃料電池１０の発熱量が増加して、燃料電池１０の暖機が促進される。
【００６２】
なお、本実施形態では、温度センサ５４を熱媒体循環経路５０中に設けたが、温度センサ５４は、燃料電池１０内に設けてもよい。この場合、燃料電池１０内において温度が最も低くなると予測される部分、例えば、外部の加熱源から最も離れた部分に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の制御の手順を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態の制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態の制御の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図６】第２実施形態の制御の手順を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態の制御の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池、３０…酸素経路、３１…空気ポンプ（ガス供給手段）、
３２…空気調圧弁（ガス圧力制御手段）、４０…燃料経路、
４１…水素ポンプ（ガス供給手段）、
４２…水素調圧弁（ガス圧力制御手段）。

Claims

酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）に供給される前記酸化ガスあるいは前記燃料ガスの少なくとも一方のガス供給量を制御すると共に、前記燃料電池から供給される電力によって作動するガス供給手段（３１、４１）と、
前記燃料電池（１０）に供給される前記酸化ガスが通過する酸素経路（３０）内あるいは前記燃料ガスが通過する燃料経路（４０）内の少なくとも一方のガス圧力を制御するガス圧力制御手段（３２、４２）とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池（１０）の出力が前記ガス供給手段（３１、４１）の必要電力以上になるように前記ガス供給量を制御可能な範囲で、前記ガス圧力を高圧に制御することを特徴とする燃料電池システム。
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギーを発生させる燃料電池（１０）と、
電気エネルギーを蓄えた電力貯蔵手段（２０）と、
前記燃料電池（１０）に供給される前記酸化ガスあるいは前記燃料ガスの少なくとも一方のガス供給量を制御すると共に、前記燃料電池（１０）および前記電力貯蔵手段（２０）から供給される電力によって作動するガス供給手段（３１、４１）と、
前記燃料電池（１０）に供給される前記酸化ガスが通過する酸素経路（３０）内あるいは前記燃料ガスが通過する燃料経路（４０）内の少なくとも一方のガス圧力を制御するガス圧力制御手段（３２、４２）とを備え、
前記燃料電池（１０）の起動時には、前記電力貯蔵手段（２０）から前記ガス供給手段（３１、４１）に電力が供給され、
前記燃料電池（１０）の起動後には、前記燃料電池（１０）から前記ガス供給手段（３１、４１）に電力が供給される燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池（１０）の起動時には、前記ガス供給量を前記燃料電池（１０）の起動に必要な量に制御可能な範囲で、前記ガス圧力を低圧に制御し、
前記燃料電池（１０）の起動後には、前記燃料電池（１０）の出力が前記ガス供給手段（３１、４１）の必要電力以上になるように前記ガス供給量を制御可能な範囲で、前記ガス圧力を高圧に制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）の起動後には、前記ガス供給量を、前記ガス供給手段（３１、４１）の必要電力分を前記燃料電池（１０）に出力させるために必要な最少限の量に制御すると共に、前記ガス供給量を前記最少限の量に制御可能な範囲で前記ガス圧力を高圧に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）と熱交換する熱媒体を循環させる熱媒体循環手段（５１ａ）を備え、前記熱媒体循環手段（５１ａ）は、前記燃料電池（１０）から電力が供給されて作動するものであることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１つに記載の燃料電池システム。