JP2004185968A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】凍結の可能性がある環境下で、燃料電池の加湿不足による故障（ドライアウト）を防止しつつ、速やかに起動を行う燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜を備え、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行うスタック１を備えた燃料電池システムにおいて、スタック１を加湿する水の水タンク６０を備える。また、水タンク６０の水を用いてスタック１を加湿できるか否かを判断する加湿判断手段と、スタック１の温度を制御する温度制御手段１００と、を備える。加湿判断手段によりスタック１の加湿ができないと判断された場合には、スタック１の運転温度を通常運転時より低く制限する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する、特に燃料電池システムの水不足による燃料電池の劣化を抑制する手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池システムでは、プロトン導電性電解質としての機能を確保する必要から、燃料電池に水を供給して固体高分子膜を飽和含水状態に維持する必要がある。そこで従来の固体高分子型燃料電池システムとしては、固体高分子膜を含水させるための水を確保するために、燃料電池のオフガス中の水分を回収して燃料電池に供給するガスを加湿する水透過型加湿器を設けたものが知られている。また、この水透過型加湿器とは別に、燃料電池オフガス中の水を回収する水回収装置と、水回収装置で回収した回収水により供給ガスを加湿する補助加湿手段を設けたものもある。水回収装置は、気液分離器および回収水貯蔵タンクから構成され、補助加湿手段は、逆止弁、回収水供給ポンプ、補助加湿用配管、およびインジェクタなどから構成される。燃料電池起動時には、回収水貯蔵タンク内の回収水を回収水供給ポンプによって移送し、インジェクタで霧状に噴射して燃料電池の給気側に供給する。これにより、燃料電池起動時にも固体高分子膜を加湿することができる（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２５６９８９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来の燃料電池システムにあたっては、寒冷地において貯蔵タンク等における凍結を防止するためにかなりの電力が必要となり、外部電源がないとバッテリが上がってしまう可能性がある。また、保温せずに貯蔵タンク内の氷を起動時に解凍する場合にも、非常に大きな電気エネルギが必要となり、燃料電池で発電しなければならない電力が増大して燃費の悪化が発生する、という問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、燃料電池システム内の水が凍結している可能性がある低温環境下で、燃料電池の加湿不足による故障（ドライアウト）を防止しつつ、速やかに起動を行うことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、電解質膜を備え、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を加湿する水の貯蔵手段を備える。また、前記貯蔵手段の水を用いて前記燃料電池を加湿できるか否かを判断する加湿判断手段と、前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段と、を備える。前記加湿判断手段により前記燃料電池の加湿ができないと判断された場合には、前記燃料電池の運転温度を通常運転時より低い制限温度以下に制限する。
【０００７】
【作用及び効果】
燃料電池の加湿ができないと判断された場合には、燃料電池の運転温度を通常運転時より低く制限することで、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制することができる。これにより、貯蔵手段から水を供給しない状態で、導電性電解質としての機能の劣化を抑制しつつ燃料電池の運転を開始することができるので、燃料電池の発電に伴う熱または生成水を用いて貯蔵手段から水の供給を行うことができる状態にすることができる。その結果、燃料電池システム内の水が凍結する可能性がある低温環境下でも、燃料電池の加湿不足による故障（ドライアウト）を防止しつつ無駄な燃料、電力の消費を抑制できるので、効率的な運転を行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１に示す。固体高分子型燃料電池システムを車輌の駆動源として利用する場合について説明する。ここでは、停止時に後述する水タンク６０中の純水が凍結する可能性があると予測された場合には、水タンク６０中の水を排出して水の凍結を防止する。
【０００９】
カソードに酸化剤を、アノードに燃料ガスを供給することにより発電を行う燃料電池スタック（以下、スタック）１を備える。ここでは、酸化剤として空気を、燃料ガスとして水素ガスを供給するがこの限りではない。
【００１０】
まず、カソードに空気を供給・排出する酸化剤系について説明する。
【００１１】
燃料電池システムに空気を導入するコンプレッサ２０を備える。コンプレッサ２０の吸気側にはエアクリーナ１０、ケミカルフィルタ１１、フローメータ１２、サイレンサ１３を、吐出側には、サイレンサ１４、空気温調器１５、マイクロフィルタ１６を備える。また、スタック１に供給される空気を加湿するＷＲＤ（Ｗａｔｅｒ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｅｖｉｃｅ）２１を備える。ＷＲＤ２１を、加湿対象となるガスが流れる被加湿側と、加湿源となる水含有ガスが流れる加湿側と、を備える主加湿手段とする。コンプレッサ２０により導入した空気をＷＲＤ２１の被加湿側に流通させ、後述するようにスタック１からのカソード排ガスを用いて加湿する。このように加湿した空気を、スタック１のカソードに備えるカソード入口マニホールド１ａからスタック１に導入する。また、このＷＲＤ２１とスタック１の間には、圧力センサ１０１と、温度センサ１１１を備え、スタック１に供給される空気の圧力および温度を検出する。
【００１２】
カソードでは発電反応（１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）により生成水が生じる。そこでカソード出口マニホールド１ｄには水セパレータ１７を備え、カソードで生成された水を回収する。また、カソード排ガスの温度を検出する温度センサ１１２を備える。
【００１３】
カソード出口マニホールド１ｄから排出されたカソード排ガスは、ＷＲＤ２１の加湿側を流通する。前述したように、カソード排ガスがＷＲＤ２１の加湿側を流れる際に、被加湿側を流通する空気の加湿を行う。このとき、カソード排ガスの含有する水分が十分でないと、空気を十分に加湿することができない。そこで、補助加湿手段として水インジェクタ６５と、水インジェクタ６５から噴出する水量を調整するための供給圧力制御弁（ＰＲＶ）６４を備える。水インジェクタ６５は、ＷＲＤ２１の上流側でカソード排ガスに水を噴射する。ＰＲＶ６４は、カソード排ガスの状態に応じて水インジェクタ６５に加える圧力、ひいては水インジェクタ６５から噴出する水の流量を調整する。ここでは、ＷＲＤ２１の加湿側の上流からＰＲＶ６４に延びる配管２２を備え、カソード排ガスの圧力を参照圧としてＰＲＶ６４を調整する。
【００１４】
ＷＲＤ２１の加湿側の下流には、燃焼器熱交換ＡＳＳＹ（燃焼装置）３０を備える。ＷＲＤ２１と燃焼装置３０との間には、カソードの圧力を調整する圧力制御弁（ＰＣＶ）１８を設ける。燃焼装置３０は、電熱触媒（ＥＨＣ）３０ａ、触媒燃焼器（ＣＡＴ）３０ｂ、熱交換器（ＨＥ）３０ｃを備える。カソード排ガスを燃焼装置３０における燃焼に用いた後、外部に排出する。排出部にはマフラー１９を備える。また、ＥＨＣ３０ａに温度センサ１１３を、ＨＥ３０ｃの出口部には温度センサ１１４を備える。
【００１５】
一方、アノードに水素を供給・排出する水素系を以下のように構成する。
【００１６】
水素を貯蔵する水素タンク４０、水素タンク４０からの水素の供給を遮断するシャット弁４１、供給される水素の温度を後述する冷媒を用いて調整する水素温調器４２、水素ガス圧力を調整する圧力調整弁（ＰＣＶ）４３、水素ガス流量を検出するフローメータ４４を備える。温度および圧力を調整した水素ガスは、後述するようにアノード排ガスを再循環させるイジェクタ４５を介してスタック１に供給される。
【００１７】
アノードに備えたアノード入口マニホールド１ｂを介して、水素ガスをスタック１に導入する。アノードの上流側には圧力センサ１０２と温度センサ１１５を備え、供給される水素ガスの圧力及び温度を検出する。アノードに供給された水素ガスは発電反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）に用いられて消費される。このとき、全ての水素ガスが発電反応により消費されるわけではなく、一部の水素ガスはアノード出口マニホールド１ｅを介して排出される。排出されたアノード排ガスは、アノードの下流側に備えられた水セパレータ４６、シャット弁４７を介してイジェクタ４５の吸込み口に供給され、スタック１に再供給される。
【００１８】
水セパレータ４６とシャット弁４７の間には分岐部４９を備え、流量制御弁（ＦＣＶ）４８を介して燃焼装置３０に接続する。アノードの循環路から排出されたアノード排ガスはＣＡＴ３０ｂで燃焼処理されてから外部に排出される。
【００１９】
次に、スタック１の温度調整を行う冷媒系について説明する。
【００２０】
冷媒の貯蔵手段であるクーラントリザーバタンク５１と、冷媒を循環させるクーラントポンプ５２、冷媒の放熱を行うラジエータ５０を備える。ラジエータ５０にはラジエータファン５０ａを備え、通過風流量を調整することによりラジエータの冷却性能を制御する。クーラントポンプ５２の吸入側はクーラントリザーバタンク５１に、吐出側は分岐部５８ａに接続する。分岐部５８ａでは、燃焼装置３０を循環する暖機ループとラジエータ５０を循環する冷機ループとに分岐する。
【００２１】
暖機ループは、燃焼装置３０のＨＥ３０ｃに接続され、ＨＥ３０ｃでは冷媒とＣＡＴ３０ｂで生成された燃焼ガスとの間で熱交換を行う。ＨＥ３０ｃから排出された冷媒は三方弁５３に流入する。一方、冷機ループはラジエータ５０に接続して冷媒の放熱を行う。冷却された冷媒は三方弁５３に流入する。冷媒温度を上昇したい場合には暖機ループに、冷媒温度を抑制したい場合には冷機ループに冷媒を流すことにより、運転状況に応じて冷媒温度を調整することができる。
【００２２】
温度調整をした冷媒が流入する三方弁５３の残りのポートを、スタック１に備えたクーラント入口マニホールド１ｃに接続させる。三方弁５３とスタック１の間には、電気伝導度計１２１、シャット弁５４、温度センサ１１６、圧力センサ１０３を備える。電気伝導度計１２１とシャット弁５４の間に、前述した空気温調器１５、水素温調器４２に分岐する分岐部５７を構成する。空気温調器１５では、冷媒とスタック１に供給される空気との間で熱交換を行う。さらに水素温調器４２において、冷媒とスタック１に供給される水素ガスとの間で熱交換を行ってから、冷媒中のイオンを除去するために備えられたイオンフィルタ５６を介してシャット弁５４の下流側の合流部５９に接続する。
【００２３】
クーラント入口マニホールド１ｃから導入された冷媒によりスタック１の温度を調整する。その後、スタック１に備えたクーラント出口マニホールド１ｆから排出された冷媒は、クーラントポンプ５２により再び冷媒系を循環する、または、クーラントリザーバタンク５１に回収される。スタック１から排出される冷媒温度Ｔ_ＳＯを検出する温度センサ１１７と、冷媒の圧力を調整する圧力制御弁ＰＣＶ５５を備える。
【００２４】
次に、スタック１の加湿に用いる純水系について説明する。純水系は図示しない電気ヒータなどの熱源を備え、加熱可能となっている。スタック１停止時に凍結が予測される場合には、この純水系から水を排出することにより凍結を防止する。
【００２５】
水タンク６０内には、水ポンプ６１、水タンク６０内の水量、ここでは水レベルＬｗを検出する水レベルセンサ１５１、温度センサ１１８を備え、さらに水ポンプ６１の吸込み口には、水中の粒子等を濾別するストレーナ６２を備える。水ポンプ６１の吐出側には、電気伝導度計１２２、イオンフィルタ６３、前述した水インジェクタ６５を備えた吐出流路７２を備える。水インジェクタ６５の上流側をＰＲＶ６４に接続し、ＰＲＶ６４で吐出流路７２の圧力を調整することにより水インジェクタ６５から噴出する水量を制御する。また、ＰＲＶ６４と水タンク６０とを連通する戻り流路７１を備え、吐出流路７２の圧力調整のためにＰＲＶ６４を介して吐出流路７２から取り除いた水を回収する。さらに、吐出流路７２にはシャット弁６６を、戻り流路７１にはシャット弁６７を備える。シャット弁６６、６７それぞれを開放したときにはこの回路から水が排出される。
【００２６】
また、空気出口マニホールド１ｄに設けた水セパレータ１７と水タンク６０を連通する流路を設け、これにシャット弁６８を備える。これとは別に、水セパレータ１７と外部とを連通する流路を設け、これにシャット弁６９を備える。これにより、水セパレータ１７で回収された水は、選択的に水タンク６０に貯蔵される。また、水素出口マニホールド１ｅ側に設けた水セパレータ４６と外部とを連通する流路を設け、これにシャット弁７０を備える。水セパレータ４６において多くの水が回収される場合には、選択的に水セパレータ４６の水を水タンク６０に回収する回路を設けてもよい。
【００２７】
さらに、水タンク６０内の水を外部に選択的に排出するシャット弁７４を備える。後述するような凍結予測手段１００ａにより、システム停止時に凍結が予測された場合には、このシャット弁７４を開とすることで、水タンク６０内の水を排出する。また、シャット弁６７、６８を開として吐出流路７２、戻り流路７１内の水を排出する。さらに、シャット弁６９、７０を開とすることで、水セパレータ１７、４６に回収された水を排出する。これにより、凍結が予測される際に純水系の水を排出することができるので、システム内の凍結を低減することができる。
【００２８】
このような燃料電池システムを制御するコントローラ１００を備える。コントローラ１００では、各センサ等の出力から各装置およびバルブ等の制御を行うことにより、スタック１の温度制御を行う。コントローラ１００は複数のコントローラを組み合わせたコントロールユニットにより構成してもよいし、また、車輌を制御するコントロールユニットの一部としてもよい。また、コントローラ１００の一部としてシステム内の水の凍結を予測する凍結予測手段１００ａを備える。これは例えば、地域および季節に関する温度変化のデータ等を予め記憶しておき、これと外気温度ＴＡＴＭを比較したり、または、カーナビ等に付随して予想気温の情報を入力することにより実現することができる。また、外気温度Ｔ_ＡＴＭを検出する温度センサ１１９を備える。
【００２９】
コントローラ１００で行うスタック１の温度制御の概略ブロックを図２に示す。
【００３０】
水タンク６０に備えた水レベルセンサ１５１で検出した水レベルＬｗを示す信号（水レベル信号）を、燃料電池冷媒出口温度目標生成装置に入力する。冷媒出口温度目標生成装置において冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を求め、冷媒出口目標温度信号として燃料電池冷媒出口温度制御装置に出力する。また、温度センサ１１７により冷媒出口温度を検出し、その結果を冷媒出口温度Ｔ_ＳＯの信号として燃料電池冷媒出口温度制御装置に入力する。冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}と冷媒出口温度Ｔ_ＳＯ（検出値）とから、冷媒温度を調整するための三方弁５３等を制御する燃料電池温度制御信号を出力し、これに従って、燃料電池温度制御手段を制御する。
【００３１】
次に、起動時におけるスタック１の温度制御の概略フローを図３に示す。
【００３２】
まず、起動開始の指令を検出し、車輌発進に必要な電力を発生させることができる温度状態にまでスタック１を昇温したら図３の制御を開始する。図３のステップＳ１における純水蓄積量判断において、水レベルセンサ１５１により水レベルＬｗを検出する。水レベルＬｗが所定レベルＬｗ１以上の場合には、水タンク６０内に十分の水があり加湿に用いることができると判断してステップＳ２に進む。ステップＳ２において、冷媒のスタック１出口の目標上限温度であるＴ_{ＳＯＵＰＲ}を通常温度Ｔ_{ＳＯＮＯＲＭ}に設定する。一方、ステップＳ１においてＬｗがＬｗ１に満たないと判断された場合には、純水蓄積量が不十分であるのでステップＳ３に進み、スタック１の冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を通常より低い制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}に設定する。これにより、スタック１が加湿不足によりドライアウトを起こす前に、加湿用水を準備して純水による加湿を開始することができる。このように冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を設定したら、ステップＳ４において冷媒の温度調整（冷媒温度制御）をすることで、スタック１の温度を調整する。
【００３３】
次に、本制御の詳細を図４のフローチャートを用いて説明する。
【００３４】
燃料電池システムの起動指令を検知したら、ステップＳ１０において、クーラントポンプ５２を駆動することにより冷媒を循環させる。ここで、システム停止中の凍結を防ぐため、冷媒として不凍液を用いる。クーラントポンプ５２は図示しない二次バッテリからの電力により駆動する。このとき、冷媒の電気伝導度を電気伝導度計１２１によりモニタする。また、三方弁５３は暖機ループとスタック１を接続するように設定する。
【００３５】
冷媒の電気伝導度が運転不可能な所定の電気伝導度以上の場合には、シャット弁５４を閉じる。これにより、全ての冷媒がイオンフィルタ５６を通り、効率良く電気伝導度を低下させることができる。冷媒の電気伝導度が所定値より小さくなったところでシャット弁５４を開き、ステップＳ２０に進む。
【００３６】
ステップＳ２０では、スタック１の冷媒出口温度Ｔ_ＳＯを温度センサ１１７により検出する。ステップＳ３０において、この冷媒出口温度Ｔ_ＳＯが所定温度Ｔ_Ｓに達しているか否かを判断する。ここで、所定温度Ｔ_Ｓは、少なくとも温度Ｔ_Ｓより大きいときに、スタック１において車輌の走行に必要な電力を発生できる温度とする。これはスタック１の性能に左右されるが、一般的には発電による生成水が再凍結しない０℃近傍より大きければ、走行に必要な出力性能を確保できる。ここではＴ_Ｓ＝０℃とする。
【００３７】
ステップＳ２０において、Ｔ_ＳＯがＴ_Ｓ以下であると判断されたら（Ｔ_ＳＯ≦Ｔ_Ｓ）車輌発進に必要な電力が得られないので、ステップＳ４０に進み、発進禁止の信号を出力する。ステップＳ５０においてスタック暖機制御によりスタック１の温度を上昇させてＴ_ＳＯを上昇させる。以下、ステップＳ５０におけるスタック暖機制御について説明する。
【００３８】
暖機制御は、燃焼装置３０における燃焼に伴う熱を用いて行うスタック１の加熱と、スタック１自体の発電により発生する自己発熱を併用して行う。氷点下の運転始動時などにＴ_ＳＯ≦Ｔ_Ｓと判断された場合には、ＥＨＣ３０ａに通電することによりＣＡＴ３０ｂの温度を上昇させる。その温度を温度センサ１１３でモニタし、水素が着火する温度域まで上昇したらコンプレッサ２０を駆動する。コンプレッサ２０から吐出された空気は、空気温調器１５、ＷＲＤ２１、スタック１を通り、ＰＣＶ１８を通って燃焼装置３０に供給される。同時にシャット弁４１を開いて水素タンク４０に貯蔵した水素ガスをスタック１に供給する。このとき、シャット弁４７を閉じておくので、水素はインジェクタ４５を介して再循環せずに分岐部４９を介して燃焼装置３０に供給される。燃焼装置３０に導入する水素流量はＦＣＶ４８により調整する。水素流量をフローメータ４４でモニタし、これを用いてフィードバック制御を行う。ここでは水素流量を、ＣＡＴ３０ｂにおける触媒燃焼で所定の発熱を行うために必要な水素流量と、スタック１の自己発電に必要な水素流量の和となるようにＦＣＶ４８を制御する。
【００３９】
スタック１の発電量は、補機類で消費できる電力量とする。このとき、冷媒系を加熱する電気ヒータなどの電気加熱手段を用いると、発電可能量はさらに増大してスタック自己発熱量が増大する上、電気もスタック１の加熱に使用できるので、起動時間短縮や起動のための水素消費量低減に有利となる。
【００４０】
また、ＣＡＴ３０ｂの燃焼温度をコントロールするため、コンプレッサ２０の吐出流量が流通する水素流量に対する所定の空気流量、つまり所定の空燃比となるように制御する。燃焼ガス温度をＨＥ３０ｃに備えた温度センサ１１４を用いてモニタし、この温度が目標温度になるように空気流量をフィードバック制御する。
【００４１】
この時、クーラントポンプ５２を作動させているので、冷媒がＨＥ３０ｃの熱交換部を流通している。ＨＥ３０ｃでは、ＣＡＴ３０ｂから供給された燃焼ガスと冷媒との間で熱交換を行うことにより冷媒温度が上昇する。その冷媒は三方弁５３、開放されたシャット弁５４を通過し、スタック１のクーラント入口マニホールド１ｃに導入される。また一部のクーラントは、分岐部５７で分岐して空気温調器１５、水素温調器４２を経由して合流部５９に戻り、スタック１に流れる。このように、ＣＡＴ３０ｂで発生した熱は冷媒を介してスタック１に伝えられる。よってスタック１は、自己発熱と燃焼装置３０で生じる熱により、速やかに昇温することが可能である。
【００４２】
スタック１は冷媒と非常に効率よく熱交換されるため、スタック１のクーラント出口マニホールド１ｆでは、冷媒温度はほぼスタック１の温度まで低下する。従ってスタック１は速やかに熱が加えられて温度上昇し、一方、冷媒はスタック１の温度近傍となる。よって、スタック１がＴ_Ｓより高くならなければ、スタック１の冷媒出口温度Ｔ_ＳＯは、ほぼＴ_Ｓより高くならない。そこで、スタック１がＴ_Ｓより高いかどうかを、冷媒出口温度Ｔ_ＳＯにて判断する。スタック出口温度Ｔ_ＳＯが車輌を発進するのに必要な電力を発生できる温度Ｔ_Ｓより高くなるまで、ステップＳ１０〜Ｓ５０を繰り返す。
【００４３】
一方、ステップＳ３０において、Ｔ_ＳＯ＞Ｔ_Ｓであると判断されたら、ステップＳ６０に進み、車輌を発進する際の発進制御を行う。この状態に遷移した状態で、車輌側には走行可能をドライバーに知らせるインフォメーションがＲｅａｄｙランプなどで実行される。ステップＳ６０の発進制御を図５に示したフローチャートを用いて説明する。
【００４４】
ステップＳ１１０において、外気温度Ｔ_ＡＴＭ、水タンクレベルＬｗ、スタック冷媒出口温度Ｔ_ＳＯ、図示しない車両制御コントローラからの要求出力Ｐｗｄを検出する。次に、ステップＳ１２０に進む。水タンクレベルＬｗがＬｗ１以上かどうかを検出する。Ｌｗ１は水循環を開始可能な水タンクレベルである。水タンクレベルが低すぎる場合、水ポンプ６１が水を吸い込めないといった不具合を発生する可能性がある。
【００４５】
水タンク６０内には、発電時にカソード出口マニホールド１ｄに備えた水セパレータ１７で回収した生成水を貯蔵している。水タンク６０や、戻り流路７１や、このスタック１からの水配管とその配管中のバルブ６８については、図示しない電気ヒータで加熱して水の再凍結を防止する。スタック１の運転中には定期的、または、水セパレータ１７に溜まる水レベルなどから判断して、バルブ６８を開き、水セパレータ１７に回収した生成水を水タンク６０に貯蔵する。
【００４６】
ここで、本実施形態では、システム停止中に水タンク６０内の水が凍結する可能性があると判断された場合には、純水系から外部に水が排出される。よって、純水系から水が排出された場合には、次の起動の際に水を確保する必要がある。そこで、ステップＳ１２０において水タンク６０の水レベルＬｗを検討することにより、水を確保する必要があるかどうかを判断する。
【００４７】
ステップＳ１２０において、水タンクレベルＬｗがＬｗ１より小さく水循環が不可能の場合にはステップＳ１３０に進む。ステップＳ１３０以降では、水タンク６０の水レベルＬｗを増大するためのスタック１の温度制御を行う。
【００４８】
ステップＳ１３０において、水タンク６０に溜められた水の循環を禁止する指令を出力する。ステップＳ１４０で、冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}をＴ_{ＳＯＬＩＭ}にセットする。Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}は、水タンク６０に水が溜まるまでに必要な時間に対するスタック１の加湿不足によるドライアウトを防止できる運転温度である。
【００４９】
図６にスタック１の冷媒出口温度Ｔ_ＳＯに対する、スタック１が加湿不足によりドライアウトに至るまでの時間、および、最大負荷運転を行った場合に水タンク６０に水が溜められるまでの時間を示す。ここで、スタック１が水不足によりドライアウトするまでの時間より、水を溜めるのに必要な時間が短くなるようにＴ_{ＳＯＬＩＭ}を設定する。スタック１の運転温度を抑えることによってカソード排ガスの温度が抑制され、水セパレータ１７に回収される水量が増大するので、貯水に必要な時間を短縮することができる。同時にスタック１の固体高分子膜に含有された水分の蒸発を防ぐことができるので、加湿不足によるスタックのドライアウトが生じるまでの時間を延長する事が可能である。
【００５０】
ただし、外気温度Ｔ_ＡＴＭが高くなるとスタック１の運転温度を車輌の走行が可能な高出力下で低温に保つことは困難である。そのため、制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}をあまり低い温度に設定した場合には、外気温度がある所定値以上で出力制限を行う必要が発生する。そこで、Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}を走行に必要な出力を得ながらスタック１の温度を制限できる下限以上の温度に設定する。なお、水の凍結が予想されるような低温時のみ排水を行うシステムにおいては、水タンク６０内の水を排出してから再び起動する際には外気温度が低い事が予想される。その場合はスタック１の運転温度を低く設定することができる。
【００５１】
ステップＳ１４０でＴ_{ＳＯＵＰＲ}＝Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}と設定したら、ステップＳ１５０に進み三方弁５３の開度制御を行う。三方弁５３の開度制御を図７に示したフローチャートを用いて説明する。なお、三方弁５３の開度により、冷媒を暖機ループ側に流すか、冷機ループ側に流すか、その流量分配を調整する。
【００５２】
ステップＳ３１０において、スタック１の冷媒出口温度Ｔ_ＳＯと冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}との偏差ｄＴ＝Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}−Ｔ_ＳＯを求める。ステップＳ３２０において、その偏差ｄＴに応じて三方弁５３の開度Ｒ_Ｖ０を図８に示すようなマップで検索する。図８は、温度偏差ｄＴに対して設定される冷機ループへの分流比Ｒ_Ｖ０である。Ｒ_Ｖ０＝１００％とは、循環する冷媒を全て冷機ループに流すことを意味する。偏差ｄＴが大きい場合、Ｒ_Ｖ０を最小値Ｒ_{Ｖ０ＭＩＮ}とすることで、ほぼ全ての冷媒を暖機ループに流して冷媒温度の上昇を促進する。ところが温度偏差ｄＴが所定値ｄＴ_１以下になると、分流比Ｒ_Ｖ０を増大して冷機ループ側にも循環させる。温度偏差がｄＴ_２になると、冷機ループへの分流比Ｒ_ＶＯが最大となる。これにより、冷媒系の能力が外気温度に対して十分な場合、温度偏差ｄＴはｄＴ_１からｄＴ_２の間に制御可能である。しかし、この状態で温度偏差ｄＴがｄＴ_２以下になる場合、冷媒系の能力が不足して温度制御ができないことを表す。なお、ここではｄＴ２を０近傍の正の値とする。つまり、Ｔ_ＳＯがＴ_{ＳＯＵＰＲ}未満且つその近傍の温度となった時に、冷機ループへの冷媒の分配が最大となるようにする。
【００５３】
このように三方弁５３を制御したらステップＳ１６０に進み、冷媒流量を制御する。冷媒流量の制御を、図９に示したフローチャートを用いて行う。
【００５４】
まず、ステップＳ４１０において、要求出力Ｐｗｄに対して冷媒流量のベースＱｃｂを図１０に示すようなマップにより検索する。ベースＱｃｂは、要求出力Ｐｗｄに対する通常の必要冷媒流量であり、クーラントポンプ５２の最低流量Ｑｃｍｉｎから最大値のＱｃｍａｘの間で示される。次に、ステップＳ４２０において、図７のステップＳ３１０で求めた温度偏差ｄＴに対する冷媒流量の最小制限値Ｑｃｌｉｍを求める。ここでは、図１１に示すような温度偏差ｄＴに対する最小制限値Ｑｃｌｉｍのマップを予め記憶しておき、これを検索することで冷媒流量の最小制限値Ｑｃｌｉｍを求める。ｄＴが０近傍の正の値であるｄＴ４となった時点で、最小制限値Ｑｃｌｉｍは最大値Ｑｃｍａｘとなる。つまり、検出温度Ｔ_ＳＯが目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}近傍に達した時点で、最大の冷媒流量となる。
【００５５】
次にステップＳ４３０において、ベース流量Ｑｃｂと最小制限値Ｑｃｌｉｍの値を比較し、これらの値の大きい方を選択して冷媒流量Ｑｃとする。クーラントポンプ５２の回転数をこの冷媒流量Ｑｃを実現する回転数に制御する。
【００５６】
図８、１１に示すように、Ｑｃｌｉｍ＝ＱｃｍａｘとなるｄＴ_４は冷媒を全て冷機ループ側に循環させるＲ_ＶＯ＝Ｒ_{ＶＯＭＡＸ}となるｄＴ_２より小さい値に設定される。つまり、冷機ループへの分流比Ｒ_Ｖ０が先に最大値となり、それでも目標温度に制御するための冷却能力が不足する場合には、さらに全体の冷媒流量Ｑｃを最大としてスタック１の温度を抑制する。特に、冷媒系で検出温度Ｔ_ＳＯが目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を超えている場合（ｄＴ＜０）には、最大の冷媒流量が、冷機ループに最大量流れる状態となる。
【００５７】
次に、ステップＳ１７０においてラジエータ５０に備えたラジエータファン５０ａの制御を行う。図１２にラジエータファン動力制御のフローチャートを示す。
【００５８】
ステップＳ５１０において、温度偏差ｄＴに対するラジエータファン動力Ｐｗｒａｄを求める。ここでは、予め図１３に示すようなマップを記憶しておき、ステップＳ３１０で求めた温度偏差ｄＴに対してラジエータファン動力Ｐｗｒａｄを検索する。図１３に示すように、ここではｄＴが０近傍の正の値ｄＴ_６（＜ｄＴ_４）でラジエータファン動力Ｐｗｒａｄは最大となる。つまり、ラジエータ５０を含む冷機ループでは、Ｔ_ＳＯがＴ_{ＳＯＵＰＲ}近傍に達したら、最大の冷却能力を発揮する。そのため、目標温度を超えている状況においては、冷却系が最大の能力を発揮していることになる。このときｄＴ_６＜ｄＴ_４より、クーラントポンプ５２の負荷が最大となってから、ラジエータファン動力Ｐｗｒａｄを最大とする。
【００５９】
次に、ステップＳ１８０に進み、スタック１の運転圧力を決定する。ここで運転圧力とは具体的にはスタック１に供給される水素ガス圧力と酸化剤圧力であってあって、これらは図１４に示した冷媒出口温度Ｔ_ＳＯに対する液水不足時参照マップに基づき、それぞれＰＣＶ４３とＰＣＶ１８によって制御される。尚、水素ガス圧力と酸化剤圧力は、固体高分子膜の両側の圧力を略同一に維持する必要があることから、ほぼ同圧力に制御されるため、図１４のマップ一つを参照すればよい。通常運転時には、運転圧力は燃料電池運転温度を代表するＴ_ＳＯに対して水バランスが取れる圧力が設定されている。しかし、ステップＳ１２０において液水が不足していると判断された場合には、その通常制御時のマップより圧力の高い液水不足時参照マップを用いて検索する。この圧力は、水バランスがプラスになる圧力となっており、よりスタック１の加湿不足を防止可能とする上、加湿水が蓄積されるスピードも増大する。その結果、加湿水が溜まるまでの時間が短縮でき、運転温度制限時間も短縮可能であり、より耐久性の面で有利である。
【００６０】
このようにスタック１の運転圧力を決定したら、ステップＳ１９０において、冷媒出口温度Ｔ_ＳＯが所定温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を超えていないかどうか判断する。
【００６１】
超えていない場合、ステップＳ２００に進み、スタック１の出力Ｐｗを要求出力Ｐｗｄにセットする。つまり、出力を制限せずに要求通りの出力を発生する。よって、Ｔ_ＳＯが目標制限温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}に満たない場合、外気温度Ｔ_ＡＴＭが高くても出力を制限せず、これにより出力制限を行う状況を低減することができる。
【００６２】
一方、ステップＳ１９０で冷媒出口温度Ｔ_ＳＯが所定温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を超えている場合には、ステップＳ２１０に進む。ここでは外気温度Ｔ_ＡＴＭに対して設定される最大出力の制限値Ｐｗｌｉｍを、図１５に示すマップを用いて検索する。外気温度Ｔ_ＡＴＭが高く、冷却系の能力が不足する場合には、目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を保持するために出力制限を行う。ここで、出力が最大出力Ｐｗｌｉｍ以下の場合に、冷媒出口温度Ｔ_ＳＯが目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}以下となる。つまり、Ｔ_ＡＴＭ＝Ｔ_{ＡＴＭＬＩＭ}のときに冷却性能を最大とし、三方弁５３を冷機ループ側に最大に開、かつ、水ポンプ６０の負荷を最大、ラジエータファン５０ａの動力を最大として、冷媒出口温度Ｔ_ＳＯが目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}に維持される。
【００６３】
次に、ステップＳ２２０において、要求出力Ｐｗｄと最大出力の制限値Ｐｗｌｉｍを比較する。ここで、スタック出力Ｐｗとして低いほうの値を選択してセットする。これにより、冷媒出口温度Ｔ_ＳＯが制限温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}（＝Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}）を超える事、ひいては、スタック１が加湿不足でドライアウトすることを防ぎながら、スタック１からの出力制限が必要な状況を最小限にしている。
【００６４】
このようなフローが終了すると、最初に戻ってこれらの制御を繰り返す。ただし、ステップＳ１２０にて水タンクレベルＬｗ＞Ｌｗ１を検出すると、水循環に必要な液水が確保できたと判断し、ステップＳ２３０へ進む。ここで水ポンプ６１を駆動して水循環を開始する。そして、ステップＳ２４０に進み通常時の運転に移行する。通常時運転への移行を図１６のフローチャートを用いて説明する。
【００６５】
ステップＳ６１０において、外気温度Ｔ_ＡＴＭと、スタック１の冷媒出口温度Ｔ_ＳＯを検出する。ステップＳ６２０において、冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}をＴ_{ＳＯＮＯＲＭ}にセットする。ここで、温度Ｔ_{ＳＯＮＯＲＭ}は熱水バランスが達成可能で、通常の効率を優先した運転温度である。ステップＳ６３０〜６５０において、図５のＳ１５０〜１７０と同様に、三方弁５３の開度、冷媒流量、ラジエータファン５０ａの動力を設定する。ただし、ステップＳ６３０〜Ｓ６５０において、Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}の値は、Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}ではなくＴ_{ＳＯＮＯＲＭ}にセットされている。このように冷媒の冷却性能を設定したら、ステップＳ６６０に進み、ステップＳ１８０と同様に燃料電池の運転圧力を設定する。ただし、図１４においては通常時参照マップを用い、燃料電池運転温度を代表するＴ_ＳＯに対して水バランスが取れる圧力を設定する。このようにスタック１の運転圧力を決定したら、ステップＳ６７０においてスタック１の出力Ｐｗを要求出力Ｐｗｄにセットする
このように冷却システムを調整してスタック１の温度を抑制することで、スタック１の加湿不足による劣化を抑制しつつ、スタック１からの出力を要求出力に維持できる機会を増大することができる。
【００６６】
次に、上記のような制御を行った際の、水タンク６０内に蓄積される水量の時間変化と、スタック温度変化を図１７に示す。起動開始後、スタック１において走行に必要な電力を発電可能となるまで、燃焼および自己発熱によりスタック１の暖機を行う。このとき、スタック１における反応に伴って生成水が生じ、水タンク６０に水が貯蔵される。スタック１が走行可能な電力を発電可能なまで昇温したら車輌の走行を開始する。これとともに、スタック温度および貯水量が増大するが、スタック温度が運転目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}（＝Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}）を超さないように冷媒系の調整を行う。このとき、冷媒系のみで温度を抑制しきれなくなったら、スタック１の出力を抑制することにより運転温度の抑制を行う。貯蔵された水の量が、加湿可能な所定量に達したら、この運転目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}をＴ_{ＳＯＮＯＲＭ}に設定して通常運転を開始する。
【００６７】
次に、本実施形態の燃料電池システムによる効果について説明する。
【００６８】
電解質膜を備え、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行うスタック１を備えた燃料電池システムにおいて、スタック１を加湿する水の水タンク６０を備える。また、水タンク６０の水を用いてスタック１を加湿できるか否かを判断する加湿判断手段（Ｓ１２０）と、スタック１の温度を制御する温度制御手段（コントローラ１００）と、を備える。加湿判断手段によりスタック１の加湿ができないと判断された場合には、ステップＳ１４０に示すようにスタック１の運転温度を通常運転時より低い制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}に制限する。これにより、水タンク６０の水を用いた加湿が行えない場合に、スタック１の加湿不足による故障を低減するとともに、車輌走行に必要な発電量を得られる時間を短縮することができる。その結果、スタック１の発電に伴う熱または生成水を用いて水タンク６０から水の供給を行うことのできる状態にすることができ、低温環境下においても、無駄な燃料・電力の消費を抑制して、効率的に起動することができる。
【００６９】
加湿判断手段は、水タンク６０内の水が液水として所定値（Ｌｗ１）以上存在するかどうかを判断する水量判断手段（Ｓ１２０）であり、液水が所定値以上存在しない場合には、スタック１の運転温度を通常運転時より低く制限する。これにより、車輌走行に必要な燃料電池発電量を得られるまでの時間を短縮し、加湿用の水が蓄積されるまでの時間、燃料電池の加湿不足による故障を防止可能で、加湿用の液水が準備できた後は通常の高効率の運転が可能になる。
【００７０】
水タンク内の水が凍結する可能性があるかどうかを予測する凍結予測手段１００ａと、水タンク内の水を排出するシャット弁７４と、水タンク６０内の水の量を検出する水レベルセンサ１５１と、を備える。水タンク６０内の水が凍結する可能性があると予測された場合には、水タンク６０内の水を排出し、起動時に、水タンク６０内の水が所定量Ｌｗ１以上溜まるまで、スタック１の運転温度を通常運転時より低く制限する。これにより、水による凍結時の部品信頼性を確保できるシステムにおいて起動時に水供給の必要がない。これは特に、移動体、ここでは車輌に用いる場合に有効である。
【００７１】
燃料電池温度制御手段として、スタック１との間で熱交換を行う冷媒を圧送するクーラントポンプ５２と、ラジエータ５０と、を備える。スタック１の温度を通常運転時より低く制限する場合には、スタック１から排出される冷媒の温度が制限された制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}で、ラジエータ５０を循環する冷媒流量を最大とする。ここでは、Ｔ_ＳＯがＴ_{ＳＯＵＰＲ}未満且つその近傍で、三方弁５３により冷機ループを循環する割合を最大とする。また、冷媒ポンプ５２による吐出量を最大とする。これにより、スタック１の温度制御を正確に行うことが可能となり、確実にスタック１の加湿不足による故障を防止可能である。
【００７２】
燃料電池温度制御手段として、さらに、スタック１の出力制限を行う出力制限手段（Ｓ２２０）を備える。これにより、外気温度Ｔ_ＡＴＭが高く温度制限が困難な状況においても確実にスタック１温度を制限することが可能となり、その結果、より広い環境状況において、確実にスタック１の加湿不足による故障を防止しつつ、効率的な運転を行うことができる。
【００７３】
スタック１の運転温度を制限する際には、優先的にラジエータ５０への冷媒流量を増大させ、ラジエータ５０への冷媒循環流量が最大になった後にもスタック１の運転温度が制限温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を越える場合に、スタック１の出力Ｐｗを制限する。これにより、スタック１の出力制限が必要となる状況を低減することができ、ドライバーの意図通りに加速できない状況を少なくすることができる。
【００７４】
また、スタック１の温度を通常運転時より低く制限する場合には、スタック１から排出される冷媒の温度が制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}で、ラジエータファン５０ａの動力を最大とする。これにより、スタック１の温度制御を正確に行うことが可能となり、確実にスタック１の加湿不足による故障を防止可能である。
【００７５】
ここにおいても、スタック１の運転温度を制限する際には、優先的にラジエータ５０ａの動力を増大させ、ラジエータ５０ａの動力が最大になった後にもスタック１の運転温度が制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}を越える場合に、スタック１の出力Ｐｗを制限する。これにより、スタック１の出力制限が必要となる状況をより少なくすることができ、ドライバーの意図通りに加速出来ない状況を少なくすることができる。
【００７６】
さらに、第１の実施形態の燃料電池システムは、スタックの運転圧力を調整する圧力調整手段（ＰＣＶ１８、４３）を備える。加湿判断手段（Ｓ１２０）によりスタック１を加湿できないと判断された場合には、スタック１の運転圧力を増大する。ここでは、図１４に示すように設定圧力の大きい液水不足時参照マップを用いる。これにより、発電によって生成する生成水がカソード排ガスに伴って持ち出され難くなるため、スタック１の加湿不足をより効果的に防止可能で、かつ、加湿用液水を早く蓄積することができる。
【００７７】
より具体的には、加湿判断手段によりスタック１を加湿できないと判断された場合には、スタック１の運転温度が上昇するに伴ってスタック１の圧力を増大し、スタック１の温度が制限される温度に達した際には、最大の圧力で運転する。これにより、スタック１が制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}の状態で最大の圧力Ｐ_ＯＭＡＸで運転することになり、スタック１の加湿不足をシステム能力の最大限にて防止する事が可能となる。
【００７８】
なお、本実施形態においては、基本的な加湿デバイスとしてＷＲＤ２１を設けており、高温の厳しい運転条件以外は加湿不足は生じにくい。よって、低温下の起動時であってもある程度はＷＲＤ２１で加湿を行うことができるため、補助加湿が必要にならない程度に、少しスタック１の運転温度を制限する事で十分に電解質膜の保湿を維持することができる。
【００７９】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１８を用いて説明する。ここでは、システム停止時にも水タンク６０内に純水を保持し、凍結している場合には低電力で解凍を行う燃料電池システムについて説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００８０】
まず、カソードに空気を供給・排出する酸化剤系について説明する。
【００８１】
エアクリーナ１０、ケミカルフィルタ１１、フローメータ１２を備え、その下流側とコンプレッサ２０の吸入側とを接続する。コンプレッサ２０の吐出側には、サイレンサ１４、マイクロフィルタ１６を備え、さらに空気温調器１５を備える。さらに、カソード排ガスを加湿源とするＷＲＤ２１の被加湿側を介して、スタック１のカソード入口マニホールド１ａに接続する。ＷＲＤ２１とスタック１との間には、圧力センサ１０１、空気センサ１１１を備える。スタック１のカソード出口マニホールド１ｄから下流は、第１の実施形態と同様に構成する。但し、第２の実施形態では、カソード出口マニホールド１ｄに設けられた水セパレータ１７の水は、全て水タンク６０に送出されるため、シャット弁６９は設けられていない。
【００８２】
次に、アノードに水素ガスを供給・排出する水素系について説明する。
【００８３】
水素タンク４０からシャット弁４１を経由して水素温調器４２に接続する。圧力制御弁ＰＣＶ４３、フローメータ４４を経てイジェクタ４５に接続する。イジェクタ４５からはスタック１のアノード入口マニホールド１ｂに接続され、その上流側にはスタック１に供給する水素圧力および温度を検出する圧力センサ１０２、温度センサ１１５を備える。アノード出口マニホールド１ｅはイジェクタ４５に戻り水素循環路を形成している。アノード出口マニホールド１ｅとイジェクタ４５との間に設けた分岐部４９からは燃焼装置３０に伸びる分岐路を構成し、流量制御弁ＦＣＶ４８により燃焼装置３０に分岐させるアノード排ガス流量を調整する。以下、水素系については、第１の実施形態と同様に構成する。
【００８４】
次に、スタック１の温度を制御する冷媒系について説明する。
【００８５】
クーラントリザーバタンク５１をクーラントポンプ５２の吸入側に接続する。クーラントポンプ５２の吐出側は電気伝導度計１２１を介して、スタック１のクーラント入口マニホールド１ｃに接続する。クーラント出口マニホールド１ｆの下流側にはスタック１から排出された冷媒の冷媒出口温度Ｔ_ＳＯを検出する温度センサ１１７を備える。さらにその下流側で、空気温調器１５と水素温調器４２に分岐し、空気及び水素ガスとそれぞれ熱交換した後、再び合流する。その後、冷媒系は水タンク６０内を通過する。水タンク６０内に配置した冷媒系の配管を熱交換部６０ａとし、冷媒がこの熱交換部６０ａを流れる際に水タンク６０内に貯蔵された水との間で熱交換を行う。これにより、例えば水タンク６０内の水が凍結している際に、比較的温度の高い冷媒から熱を供給することにより、水タンク６０内の水の解凍を促進することができる。熱交換部６０ａを循環した冷媒はその後、ラジエータ５０と燃焼装置３０に分岐する三方弁５３に接続される。三方弁５３からは、第１の実施形態と同様に暖機ループと冷機ループに分岐し、冷媒の温度調整を行う。暖機ループと冷機ループは合流部５８ｂで接続し、水ポンプ５２の吸入側に接続する。なお、水ポンプ５２に並列して冷媒の電気伝導度を低減するイオンフィルタ５６を備える。
【００８６】
次に、スタック１の加湿を行う純水系について説明する。
【００８７】
水タンク６０内に、水レベルセンサ１５１、水ポンプ６１、水ポンプ６１の吸い込み口のストレーナ６２を備える。水ポンプ６１の吐出側には、電気伝導度計１２２、イオンフィルタ６３を介してスタック１に接続する吐出経路７２を備える。スタック１内ではアノードおよびカソードと多孔質のプレートを介して水チャンネルを設ける。水チャネル内を純水が流通する際に、多孔室プレートを介して各電極に、ひいては電解質膜に水分が供給されて加湿が行われる。つまり、本実施形態では、主加湿手段としてＷＲＤ２１を用いるとともに、補助加湿手段としてスタック１内を循環する純水による加湿を行う。
【００８８】
スタック１で加湿に使用されなかった純水を水タンク６０に回収する戻り回路７１には、シャット弁８１、シャット弁８３、圧力制御弁ＰＲＶ８４を備える。ＰＲＶ８４は、スタック１のカソード出口圧を参照圧として接続する。シャット弁８１とシャット弁８３との間には、シャット弁８２を介してカソード排気側に接続する流路を構成する。これらのシャット弁８２、シャット弁８１、シャット弁８３を開くことにより、カソード排ガスにより回路内の水が水タンク６０に回収される。またこの水経路およびその水経路中の部品は、図示しない電気ヒータなどの熱源によって加熱可能となっている。
【００８９】
なお、シャットダウン時には、発電停止後には、図示しない二次電池からの電力により、コンプレッサ２０を駆動する。ＰＣＶ１８によりカソードの圧力を若干増大することにより、水セパレータ１７内の水を水タンク６０に回収する。カソード出口マニホールド１ｄ内の排水が終了したら、シャット弁６８を閉としてマニホールド１ｄ内が排水された状態を維持する。また、シャット弁８１〜８３を開とすることで、吐出経路７２および戻り経路７１の排水を行う。これにより、純水の配管内での凍結を防止する。
【００９０】
次に、起動時のスタック温度制御を説明する。図１９のフローチャートを用いて制御の概略を説明する。まず、起動開始の指令を検出し、車輌発進に必要な電力を発生させることができる温度Ｔ_Ｓまでスタック１を昇温したら図１９のフローを開始する。
【００９１】
ステップＳ１１において、水タンク６０内の純水を解凍する必要があるかどうかを判断する。これは、水タンク６０に備えた温度センサ１１８の出力により判断することができる。水タンク６０内の純水温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ１以上の場合には、ステップＳ１２に進み、冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を通常温度Ｔ_{ＳＯＮＯＲＭ}に設定する。一方、純水温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ１に満たない場合には、ステップＳ１３に進み、冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}に設定する。ステップＳ１４の冷媒温度制御において、ステップＳ１２またはＳ１３において設定した冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}と検出された冷媒出口温度Ｔ_ＳＯに応じて冷却系を制御する。これにより、水タンク６０内の水の凍結時にスタック１の温度が抑制されるので、スタック１が加湿不足によりドライアウトを起こす前に、加湿用水を準備して純水による加湿を開始することができる。
【００９２】
次に、制御の詳細を説明する。以下、第１実施形態における制御と異なる部分を中心に説明する。
【００９３】
起動時の温度制御のメインルーチンを第１実施形態と同様に図４に示す。ステップＳ３０において、スタック１の温度が発進に必要な電力を生じるのに必要な温度に達しているか否かを判断する。ここでは冷媒出口温度Ｔ_ＳＯがＴ_Ｓ（＝０℃）に達しているかどうかで判断する。Ｔ_Ｓに達していない場合には発進禁止指令を出力した後、ステップＳ５０においてスタック暖機制御を行うが、ステップＳ３０において冷媒出口温度Ｔ_ＳＯが、Ｔ_Ｓに達していない場合には、雰囲気温度が氷点下であると考えられ、水タンク６０内の水が凍結している可能性があると判断できる。これを考慮して、スタック暖機制御を次のように行う。
【００９４】
スタック暖機制御では、二次電池等を用いて燃焼装置３０で燃焼を行い、循環する冷媒温度を上昇させる。昇温した冷媒をスタック１に流通させることにより、スタック１の温度を上昇させる。スタック１と冷媒とは非常に効率良く熱交換されるため、クーラント出口マニホールド１ｆでは、冷媒温度はほぼスタック１と同程度となっている。
【００９５】
スタック１が大幅に氷点を下回る場合（例えば−２０℃）、通常運転（本実施例では車輌走行可能な運転状態）に必要な大電力を発電すると生成水が冷えたスタック１で冷やされ再凍結してしまうため、０℃近傍までスタック１を加熱しないと大電力を発電することは困難である。従って大電力の発電ができるまで冷媒出口温度Ｔ_ＳＯは氷点以上にはなりにくい。その結果、そのスタック１下流にある水タンク６０へは氷点以上の冷媒が入ってこないため、水タンク６０内の熱交換部で氷の表面から少しずつ氷に熱を加えることにはなるが、凍結水を解凍するには至らない。よって、水タンク熱交換部６０ａでは、冷媒はあまり熱は取られず、水タンク６０の解凍のために積極的に電力が消費されることはない。そのためＣＡＴ３０ｂで発生する熱量を用いて、効率よくスタック１の氷点近傍への加温が可能となる。以上によって、同じ水素消費量で考えた場合、スタック１を早く大電力発電可能な状態に持っていく事ができるので、起動時間の低減、起動消費エネルギの低減が可能になる。
【００９６】
その後、スタック１が発電可能な温度に達すると、ＣＡＴ３０ｂの運転を停止し、暖機運転を終了する。つまり、ステップＳ３０において、Ｔ_ＳＯ＞Ｔ_Ｓと判断されたらステップＳ６０に進み発進制御を行う。この場合には、スタック１の発電によって発生した熱を用いて水タンク６０内の純水を解凍する。本実施形態の発進制御のフローチャートを図２０に示す。
【００９７】
本実施形態では、通常運転を開始するかどうかを水タンク６０の水レベルＬｗではなく、水タンク６０に蓄積された水の温度Ｔｗにより判断する。ここでは、水タンク６０に備えた温度センサ１１８の出力に応じて判断する。つまり、ステップＳ７２０では、水タンク６０内の水の温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ１より大きいかどうかにより水タンク６０内の水を用いて加湿できるか否かを判断する。ここで、所定温度Ｔｗ１は、水タンク６０内の水が所定量、ここでは水ポンプ６１により循環させることのできる量だけ解凍したと判断できる温度とする。これは、例えば０℃近傍に予め設定することができる。ステップＳ７２０で、Ｔｗ≦Ｔｗ１であれば、水循環を行えるほど解凍されていないと判断できるので、ステップＳ７３０からＳ８２０までの制御を行う。これらのステップは、第１実施形態におけるステップＳ１３０〜Ｓ２２０と同様の制御である。この制御により、スタック１と低温に設定した冷媒との間で熱交換を行い、高温となった冷媒を水タンク６０の熱交換部６０ａに流通させる。これにより、スタック１の発電に伴う熱を用いて水タンク６０内の水の解凍を行うことができる。よって、ＣＡＴ３０ｂを用いて水タンク６０内の水を解凍するよりも消費する燃料が低減できる。このとき、水タンク６０の温度Ｔｗが０℃を超え、水タンク６０の水による加湿が可能であると判断されるまでは、スタック１が無加湿で運転可能な温度を超えることを制限する。これによって水タンク６０が解凍されるまでスタック１を水不足によりドライアウトさせることなく運転することができるので、効率的な起動を行うことができる。
【００９８】
尚、ステップＳ７４０において、運転温度を制限する際の冷媒出口目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}（＝Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}）を設定する際には、図６のかわりに図２１に示した冷媒出口温度に対する凍結に要する時間の関係からＴ_{ＳＯＬＩＭ}を設定する。なお、この解凍に要する時間は、第１実施形態における水が溜まるまでの時間に相当する。
【００９９】
一方、ステップＳ７２０でＴｗ＞Ｔｗ１であると判断されたら、ステップＳ８３０、Ｓ８４０に進み、水ポンプ６１を稼動させることで、第１の実施形態のステップＳ２３０、Ｓ２４０と同様に通常運転を開始する。
【０１００】
このように制御することにより、スタック１の温度および解凍された水の量の時間変化は図２２に示すようになる。
【０１０１】
暖機運転時には、燃焼装置３０において冷媒を昇温することにより、スタック１の暖機を行う。スタック１が、再凍結を防ぎ、大きな電力を発生できる温度Ｔ_Ｓ（０℃近傍）まで暖機されたら、燃焼装置３０における燃焼を停止して、積極的に発電を行い車輌の走行を開始する。発電に伴ってスタック１温度が上昇する、ひいては冷媒温度が上昇するので、この冷媒を水タンク６０の熱交換部６０ａに流通させて、水タンク６０内の解凍を行う。このとき、スタック１では純水系による加湿を行わない運転を行っているため、スタック１の温度が過度に上昇すると水不足が生じてスタック１が劣化する可能性がある。そこで、冷媒流量、ラジエータ５０に循環させる冷媒の割合、ラジエータの冷却性能を大きくすることで、冷媒系の冷却性能を増大する。さらに、運転圧力を増大することにより、スタック１の水不足をさらに抑制する。さらに温度抑制が必要な場合には、スタック１の出力を制限することによりスタック１の劣化を抑制する。
【０１０２】
これにより、スタック１の温度が目標温度Ｔ_{ＳＯＵＰＲ}を超えるのを防ぎつつ、必要な出力を発生しやすいようにスタック１の温度を調整することができる。このような状態を維持して水タンク６０内の解凍を継続し、解凍量が所定量、ここでは水ポンプ６１により循環できる量を超えたら通常運転を開始する。
【０１０３】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【０１０４】
水タンク６０内の凍結を解凍する解凍手段（熱交換部６０ａ）と、水タンク６０内の水の状態を検出する温度センサ１１８と、を備える。加湿判断手段として、水タンク６０内で少なくとも所定量の水が液水状態であるか否かを判断する凍結判断手段（Ｓ７２０）を用いる。水タンク６０内の水が凍結しており、液水である水が所定量に満たないと判断された際には、スタック１の運転温度を通常運転より低い制限温度Ｔ_{ＳＯＬＩＭ}に制限する。また水タンク６０内で少なくとも所定量の水が液水状態であると判断されたら、スタック１の運転温度の制限を解除する。これにより、加湿用の液水が凍結している間、スタック１の加湿不足による故障を防止するとともに、車輌走行に必要な発電量を得られる時間を短縮し、なおかつ、加湿用の液水を準備するエネルギを最小化することが可能となる。その後、加湿用の液水が準備できたら、通常の高効率運転が可能となる。
【０１０５】
水タンク６０内の水の状態を検出する状態検出手段として、水タンク６０内の水の温度を検知する温度センサ１１８を備え、水タンク６０内の水の温度が０℃を超える所定温度Ｔｗ１になった場合には、水タンク６０内で所定量以上の水が液水であると判断する。これにより、水タンク６０の解凍状況を検知する事が可能となり、加湿水を循環できるかどうかを確実に判断することが可能となる。よって、凍結状態のまま水循環を開始して、純水系の循環系部品を損傷することを防止することができる。
【０１０６】
水素含有ガスと酸化剤ガスとを燃焼する燃焼装置３０を備え、さらに、燃料電池温度制御手段として、冷媒を燃焼装置３０、スタック１、水タンク６０の順に循環させて、冷媒との間で熱交換を行う冷媒系を備える。スタック１の暖機には燃焼装置３０で生じる熱を冷媒を介してスタック１に供給し、スタック１の暖機を終了して燃焼装置３０を停止した後に、スタック１の発電に伴う熱を冷媒を介して水タンク６０に供給することにより水タンク６０の暖機を行う。このように燃焼装置３０でスタック１のみの暖機を行うことで、スタック１で走行できる発電を行うまでの時間を短縮することができる。また、スタック１を発電可能な程度まで暖機したのち燃焼を停止して、スタック１からの廃熱を用いて水タンク６０内の水の解凍を行うので、燃料効率のよい解凍を行うことができる。このとき、冷媒系および運転圧力、必要に応じて運転出力を調整することができるので、無加湿運転を行ってもドライアウトが生じない温度範囲にスタック１を設定することができる。
【０１０７】
また、加湿判断手段（Ｓ７２０）によりスタック１を加湿できないと判断された場合には、スタック１の運転圧力を増大する。ここでは、図１４に示すように設定圧力の大きい液水不足時参照マップを用いる。これにより、スタック１の加湿不足をより効率的に防止可能で、特にスタック１の制限運転温度を高く設定することができる。冷媒の熱を用いて水タンク６０内の氷を解凍する場合には、高い温度の冷媒によって解凍時間をより短縮する事が可能となり、短時間で加湿用液水を準備することが可能となる。
【０１０８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態における燃料電池の温度制御の概略図である。
【図３】第１の実施形態における燃料電池の温度制御の概略を示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態における燃料電池システムの冷媒系のメインルーチンである。
【図５】第１の実施形態における発進時の冷媒系制御のフローチャートである。
【図６】冷媒出口温度に対するドライアウトに至るまでの時間および水を確保するのに必要な時間を示す図である。
【図７】第１の実施形態における三方弁開度を設定するためのフローチャートである。
【図８】温度偏差に対する三方弁開度を示す図である。
【図９】第１の実施形態における冷媒流量を設定するためのフローチャートである。
【図１０】燃料電池出力に対する冷媒流量を示す図である。
【図１１】温度偏差に対する冷媒流量最小制限値である。
【図１２】第１の実施形態におけるラジエータファンの動力制御のフローチャートである。
【図１３】温度偏差に対するラジエータファン動力を示す図である。
【図１４】燃料電池温度に対する運転圧力を示す図である。
【図１５】外気温度に対する燃料電池最大出力を示す図である。
【図１６】第１の実施形態における通常運転に移行する際のフローチャートである。
【図１７】第１の実施形態のスタック温度および蓄積水量の時間変化を示す図である。
【図１８】第２の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図１９】第２の実施形態における燃料電池の温度制御の概略を示すフローチャートである。
【図２０】第２の実施形態における発進時の冷媒系制御のフローチャートである。
【図２１】冷媒出口温度に対するドライアウトに至るまでの時間および解凍に必要な時間を示す図である。
【図２２】第２の実施形態のスタック温度および解凍水量の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１ スタック
１８ ＰＣＶ（圧力調整手段）
３０ 燃焼装置
５０ ラジエータ
５０ａ ラジエータファン
５２ クーラントポンプ
５３ 三方弁
６０ 水タンク（貯蔵手段）
６０ａ 熱交換部（解凍手段）
７４ シャット弁（水排出手段）
６１ 水ポンプ
１００ コントローラ（温度制御手段）
１００ａ 凍結予測手段
１１７ 温度センサ
１１８ 温度センサ（状態検出手段、水温度検出手段）
１５１ 水レベルセンサ（水量検出手段）
Ｓ１２０、Ｓ７２０ 加湿判断手段
Ｓ２２０、Ｓ８２０ 出力制限手段

Claims (13)

1. 電解質膜を備え、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池を加湿する水の貯蔵手段と、
   前記貯蔵手段の水を用いて前記燃料電池を加湿できるか否かを判断する加湿判断手段と、
   前記燃料電池の温度を制御する温度制御手段と、を備え、
   前記加湿判断手段により前記燃料電池の加湿ができないと判断された場合には、前記燃料電池の運転温度を通常運転時より低い制限温度以下に制限することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記加湿判断手段は、前記貯蔵手段内の水が液水として所定値以上存在するか否かを判断する水量判断手段であり、
   前記液水が所定値以上存在しない場合には、前記燃料電池の運転温度を前記制限温度以下に制限する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記貯蔵手段内の凍結を解凍する解凍手段と、
   前記貯蔵手段内の水の状態を検出する状態検出手段と、を備え、
   前記加湿判断手段は、前記貯蔵手段内で少なくとも所定量の水が液水状態であるか否かを判断する凍結判断手段であり、
   前記貯蔵手段内の水が凍結しており、液水である水が所定量に満たないと判断された際には、前記燃料電池の運転温度を前記制限温度以下に制限し、前記貯蔵手段内で少なくとも所定量の水が液水状態であると判断されたら、前記燃料電池の運転温度の制限を解除する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記貯蔵手段内の水が凍結する可能性があるかどうかを予測する凍結予測手段と、
   前記貯蔵手段内の水を排出する水排出手段と、
   前記貯蔵手段内の水の量を検出する水量検出手段と、を備え、
   前記貯蔵手段内の水が凍結する可能性があると予測された場合には、前記貯蔵手段内の水を排出し、
   起動時に、前記貯蔵手段内の水が所定量以上溜まるまで、前記燃料電池の運転温度を前記制限温度以下に制限する請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池温度制御手段として、前記燃料電池との間で熱交換を行うクーラントを圧送するクーラントポンプと、クーラントの放熱を行うラジエータと、を有する冷媒系を備え、
   前記燃料電池の温度を前記制限温度以下に制限する場合には、前記燃料電池から排出される前記クーラントの温度が、前記制限温度で前記ラジエータを循環するクーラント流量を最大とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池温度制御手段として、さらに、前記燃料電池の出力制限を行う出力制限手段を備える請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の運転温度を制限する際には、優先的に前記ラジエータへのクーラント流量を増大させ、前記ラジエータへのクーラント循環流量が最大になった後にも前記燃料電池の運転温度が前記制限温度を越える場合に、前記燃料電池の出力制限を行う請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記ラジエータを通過する通過風の流量を増減させるラジエータファンを備え、
   前記燃料電池の運転温度を制限する際には、優先的に前記ラジエータファンの動力を増大させ、前記ラジエータファンの動力が最大になった後にも前記燃料電池の運転温度が前記制限温度を越える場合に、前記燃料電池の出力制限を行う請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記ラジエータを通過する通過風の流量を増減させるラジエータファンを備え、
   燃料電池の運転温度を制限する際には、前記ラジエータへのクーラント流量と前記ラジエータファンの動力が共に最大となった後にも前記燃料電池が前記制限温度を超える場合に、前記燃料電池の出力制限を行う請求項６に記載の燃料電池システム。
10. 前記貯蔵手段内の水の状態を検出する状態検出手段として、前記貯蔵手段内の水の温度を検知する水温度検出手段を備え、
    前記貯蔵手段内の水の温度が０℃を超える所定温度になった場合には、前記凍結判断手段において、前記貯蔵手段の所定量以上の水が液水であると判断する請求項３に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池の運転圧力を調整する圧力調整手段を備え、前記加湿判断手段により前記燃料電池を加湿できないと判断された場合には、前記燃料電池の運転圧力を増大する請求項１に記載の燃料電池システム。
12. 前記加湿判断手段により前記燃料電池を加湿できないと判断された場合には、前記燃料電池の運転温度が上昇するに伴って前記燃料電池の圧力を増大し、前記燃料電池の温度が前記制限温度に達した際には、最大の圧力で運転する請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 水素含有ガスと酸化剤ガスとを燃焼する燃焼装置を備え、
    さらに、前記燃料電池温度制御手段として、クーラントを前記燃焼装置、前記燃料電池、前記貯蔵手段の順に循環させて、クーラントとの間で熱交換を行う冷媒系を備え、
    前記燃料電池の暖機には前記燃焼装置で生じる熱をクーラントを介して燃料電池に供給し、前記燃料電池の暖機を終了して前記燃焼装置を停止した後に、前記燃料電池の発電に伴う熱をクーラントを介して前記貯蔵手段に供給することにより前記貯蔵装置の暖機を行う請求項３に記載の燃料電池システム。

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