JP2005050645A

JP2005050645A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005050645A
Application number: JP2003281018A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Sakai; 弘正酒井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】電解質膜のドライアウトを抑制することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行うスタック１と、スタック１に供給する水素ガスを加温する水素温調器４２と、水素温調器４２の機能欠陥を検出する温度センサ１１９，１２０を備える。水素温調器４２に欠陥が生じた場合には、スタック１の運転を停止する。または、冷媒目標温度Ｔ_souprとして、水素温調器４２が正常な場合に比べて比較的低温の所定値Ｔ_solim-fを採用する。または、無加湿運転を継続する制限時間として、水素温調機４２が正常な場合に比べて比較的短時間のｔ_mr-lim-fを採用する。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。特に燃料ガスの温度調整手段を備えた燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、スタックに供給する水素を加温する手段（熱交換器）を有するものが知られている。例えば、燃料電池のカソード極に対して供給空気を供給する空気供給手段と、燃料電池のアノード極に対して供給水素を供給する水素供給手段を備える。空気供給手段は、供給空気を圧送する空気圧縮器を有するとともに、空気圧縮器と燃料電池のカソード極を繋ぐ空気通路を有する。水素供給手段は、供給水素を供給するアノード供給装置と燃料電池のアノード極を繋ぐ水素通路を有する。空気通路と水素通路との間に、供給空気の熱を供給水素に伝達する熱交換器が介在されている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２００２−３０５０１３号公報

しかしながら、上記燃料電池システムにおいては、熱交換器の機能欠陥時には燃料電池への供給水素が加温されないという状態が発生する可能性がある。特に、低温環境下において、燃料電池の運転温度が上昇した場合、燃料電池から排出されるアノード排気ガス中には多くの水蒸気が含有される。アノード循環型の燃料電池システムにおいては、このアノード排ガスと、熱交換器により温度調整された供給水素とが混合されてから、燃料電池に導入される。このような燃料電池システムにおいて、熱交換器の機能失陥が生じると、温度が調整されていない供給水素とアノード排気ガスとが混合されるため、アノード排気ガスと共に燃料電池から排出された水分の多くが凝縮されてしまう。これにより、燃料電池の供給ガスの加湿不足が発生し、燃料電池の耐久性低下が起こる可能性がある。

また、燃料電池内部に加湿用純水を循環し、多孔質部材を介して燃料電池内のガスを加湿する燃料電池システムの場合、特に氷点下から起動した場合には、外気温度も低い上、燃料電池加湿用の水が凍結している可能性がある。この純水を解凍するまでの間、加湿用の液水を循環させることができない。この場合、加湿用純水を循環できるようになるまでの間は燃料電池外部からの加湿水なしで運転を行う必要が生じる。燃料電池は、運転温度が低い場合、外部からの加湿がなくてもある程度の運転は可能であるが、温度が高いと燃料電池内の高分子膜が乾いてしまうため発電が困難となる。また、温度が低くても、無加湿で運転可能な時間は限度がある。その運転温度上限や運転可能時間は、燃料電池に供給されるガス内に含まれる水分量に左右されるが、水素温度調節器機能失陥時には、燃料電池供給水素に燃料電池のアノードから排気される水蒸気の多くを燃料電池入口に供給することができず、加湿用水を供給する前に多孔質がドライアウトしてしまい、運転が継続できないだけでなく、ドライアウトした多孔質部材を再び湿潤状態にすることが困難になる可能性がある。

そこで本発明は、電解質膜のドライアウトを抑制し、燃料電池に大きなダメージを与えるのを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを加温する燃料温度調整手段と、前記燃料温度調整手段の機能欠陥を検出する検出手段と、を備える。前記燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、前記燃料電池の運転を抑制する。

または、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給する燃料ガスを加温する燃料温度調整手段と、前記燃料温度調整手段の機能欠陥を検出する検出手段を備える。また、前記燃料温度調整手段の下流側で加湿水を供給することにより燃料ガスを加湿する加湿手段と、加湿用の液水が不足する場合には加湿水の供給を停止した状態で運転を行い、制限時間内に加湿水の供給が為されない場合には運転を停止する制御手段と、を備える。前記燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、前記制限時間を短く設定する。

燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、燃料電池の運転を抑制する。これにより、燃料電池のドライアウトを生じ難くすることができるので、燃料電池の劣化を抑制することができる。

または、加湿用の液水が不足する場合には加湿水の供給を停止した状態で運転を行い、制限時間内に加湿水の供給が為されない場合には運転を停止する制御手段を備え、燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、制限時間を短く設定する。これにより、燃料電池でドライアウトが生じやすい状態において、燃料電池にドライアウトが生じる前に停止することができるので、燃料電池の劣化を抑制することができる。

第１の実施形態について説明する。ここでは、例えば車両の動力源として用いる燃料電池システムについて説明する。スタック１としては、固体高分子型燃料電池を用いる。図１に、燃料電池システムの概略構成図を示す。

まず、カソードに、酸化剤ガスとしての空気を供給・排出する空気系について説明する。ここでは酸化剤ガスとして空気を用いるがこの限りではない。

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に供給する空気を加湿する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マニホールド１ａから導入する。ＷＲＤ２１とカソードマニホールド１ａ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、温度を検出可能とする。

カソードでは発電反応（１/２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ）により生成水が生じる。カソード出口側にはカソードマニホールド１ｄを備え、さらにカソード排ガス中の水を分離・回収する水セパレータ１７を備える。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。

カソード排ガスは、ガス中の凝縮水を水セパレータ１７により分離された後、ＷＲＤ２１の加湿側に導入される。前述したように、カソード排ガスは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。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を備える。燃焼装置３０には、電熱触媒（ＥＨＣ）３０ａ、触媒燃焼器（ＣＡＴ）３０ｂ、熱交換器（ＨＥ）３０ｃを備える。ＥＨＣ３０ａに温度センサ１１３を、ＨＥ３０ｃの燃焼ガス出口部に温度センサ１１４を備える。カソード排ガスを燃焼装置３０において燃焼した後、マフラー１９を介して外部に排出する。

次に、アノードに水素を供給・排出する水素系について説明する。ここでは燃料ガスとして水素を用いるがこの限りではない。

水素を貯蔵する水素タンク４０、水素の供給を遮断するシャット弁４１を備える。また、供給される水素の温度を調整する水素温調器４２を備える。ここでは、後述するように冷媒との熱交換により水素の温度を調整する。水素温調器４２の出口側に水素の温度を検出する温度センサ１２０を備える。また、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。スタック１の入口には、アノードマニホールド１ｂを備える。また、スタック１に導入される水素ガスの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。

アノードに供給された水素ガスは、発電反応（Ｈ₂→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、スタック１の出口側に配置したアノードマニホールド１ｅを介して排出される。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、アノード循環路を形成する。

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。アノード循環路から排出されたアノード排ガスはＣＡＴ３０ｂに供給され、燃焼処理されてから外部に排出される。

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。ここでは、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。

冷媒を循環させる冷媒ポンプ５２と、その吸入側に接続された冷媒の貯蔵手段である冷媒リザーバタンク５１を備える。また、冷媒ポンプ５２の吐出側を、分岐部５８を経て、冷媒の放熱を行うラジエータ５０と、冷媒の加熱を行う燃焼装置３０に接続する。つまり分岐部５８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の分岐点となる。

暖機ループ側は、燃焼装置３０のＨＥ３０ｃに接続され、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、冷機ループ側は、ラジエータ５０に接続され、冷媒の放熱を行う。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５０の冷却性能を制御する。冷却された冷媒は三方弁５３に流入する。

暖機ループ、冷機ループに接続される三方弁５３の残りのポートを、スタック１に備えた冷媒マニホールド１ｃに接続する。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ことにより外部より供給される空気温度を上昇させる。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うことにより外気温度等に影響される水素ガス温度を調整する。空気および水素の温度調整を行った冷媒を、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に流入させる。なお、水素温調器４２の上流には、水素温調器４２に供給される冷媒温度を検出する温度センサ１１９を備える。

冷媒マニホールド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に備えた冷媒マニホールド１ｆから排出された冷媒は、冷媒ポンプ５２により再び冷媒系を循環する、または、冷媒リザーバタンク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（ＰＣＶ）５５を備える。

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。

水タンク６０内には、水ポンプ６１、タンク内の水量を示す水レベル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の吐出側を吐出流路７２に接続する。吐出流路７２には、電気伝導度計１２２、イオンフィルタ６３を備える。

さらに、補助加湿手段として、吐出流路７２を介して加湿水を供給するインジェクタ７５、７６を備える。主加湿手段であるＷＲＤ２１は、カソード排ガスの含有水分が十分でないと、供給空気を十分に加湿することができない。そこで、ＷＲＤ２１の上流側でカソード排ガスに水を噴射するインジェクタ７５と、スタック１に供給される以前の水素ガスに水を噴射するインジェクタ７６を備える。さらに、インジェクタ７５、７６から噴射される水量を調整する供給圧力制御弁（ＰＲＶ）６４を備える。ＰＲＶ６４は、カソード排ガスの状態に応じて水インジェクタ７５、７６に加える圧力、ひいては水インジェクタ７５、７６から噴射される水量を調整する。ここでは、ＷＲＤ２１の上流側から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。なお、水インジェクタ７５、７６からの水の噴出量をそれぞれ独立に制御する場合には、それぞれに独立した吐出流路７２およびＰＲＶ６４を備えればよい。

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から取り除かれる水を回収可能とする。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、それぞれを開放することにより、吐出流路７２、戻り流路７１から水が排出可能とする。

さらに、カソード出口に設けた水セパレータ１７と水タンク６０を連通し、この間にシャット弁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。例えば、スタック１の運転中、定期的に、または、水セパレータ１７に溜まった水量に応じてシャット弁６８の開閉を制御して水タンク６０に水を回収、蓄積する。また、アノードマニホールド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で多くの水が回収される場合には、水セパレータ４６から水タンク６０に水を回収する流路を設けてもよい。さらに、水タンク６０と外部とを連通する流路を設け、これにシャット弁７４を備え、タンク内の水を選択的に排出可能とする。

純水系では、スタック１停止時に凍結が予測される場合には、系内の水を排出して凍結を防止する。つまり、停止時に低温環境下に晒された場合には、純水系内に水が無い状態で起動が開始される。また、図示しない加熱手段を備え、外部からのエネルギにより純水系を加熱可能に構成する。ここでは、水タンク６０、水セパレータ１７、スタック１から水を回収する配管やその配管に備えたシャット弁６８を加熱する電気ヒータを備え、低温環境下における水の再凍結を防止可能に構成する。

また、このような燃料電池システムを制御するコントローラ８０を備える。コントローラ８０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。コントローラ８０には、各センサの出力に応じて燃料電池システムの運転を制御する。

また、コントローラ８０において、スタック１に供給する水素の温度調整が適切に行われているか否かを判断し、その判断結果に基づいてスタック１の運転を制御する。例えば、水素温調器４２を介して供給される水素が十分に加温されない場合には、供給される水素ガスと再循環する水素ガスとの温度差が大きく、混合されることにより再循環する水素ガス中の水分が凝縮・除去されてスタック１でドライアウトを生じる可能性がある。特に、低温起動時に無加湿運転を行う場合には、水素系に凝縮水が生じることによりドライアウトが生じ易くなる。

そこで、本実施形態では、システム制御時に図２に示すような欠陥診断を行うことにより、ドライアウトの抑制を行う。つまり、水素温調器４２の欠陥を水素温調器欠陥検出手段により検出する。ここでは温度センサ１１９により水素温調器４２に供給される冷媒温度を、温度センサ１２０により水素温調器４２から排出される水素ガスの温度を検出することにより水素温調器４２の欠陥を判断する。なお、水素温調器４２としてヒータ等を用いる場合には、排出される水素ガスの温度を検出することにより欠陥を判断してもよい。欠陥を検知した場合には、水素温調器欠陥信号がコントローラ８０に出力され、スタック１の運転を停止する運転停止手段をＯＮにする信号が出力される。これにより、スタック１にドライアウトが生じ易い状態で運転を継続するのを防止して、スタック１の劣化を抑制することができる。

次に、このような燃料電池システムの制御の概略を、図３を用いて説明する。

まず、ステップＳ１において純水の蓄積が必要であるか否かを判断する。必要ない場合には、ステップＳ２において冷媒目標温度Ｔ_souprを通常の所定値Ｔ_sonormに設定して、通常運転を行う。蓄積する必要がある場合には、ステップＳ３において、冷媒目標温度Ｔ_souprを制限時の所定値Ｔ_solimに設定して無加湿運転を行う。ステップＳ４において、冷媒系の冷却性能を調整することにより、スタック１の温度を適温に調整する。

このように、純水を用いた加湿を行うことができない場合には無加湿運転を行うが、この場合にはドライアウトが生じ易い状態となる。このとき、水素温調器４２の機能に欠陥が生じた場合には、さらにドライアウトを生じ易い状態となるので、スタック１における発電を停止することによりスタック１の劣化を防止する。

次に、本システム制御の詳細について説明する。図４にシステム起動時の制御フローを示す。燃料電池システムの起動開始を指示する信号が入力されたら本フローを開始する。

ステップＳ１０において、冷媒の供給を開始する。ここでは、図示しない二次電池からの電力により冷媒ポンプ５２の駆動を開始する。これと共に、電気伝導度計１２１により冷媒の電気伝導度をコントローラ８０にモニタする。

起動開始直後には、三方弁５３を暖機ループ、つまり燃焼装置３０とスタック１を連通する側に設定する。また、シャット弁５４を閉とする。冷媒の電気伝導度が所定値より大きい場合、シャット弁５４を閉に維持して、全冷媒がイオンフィルタ５６を流通するように設定し、冷媒中のイオンを除去する。冷媒の電気伝導度が所定値以下であることが確認されたらシャット弁５４を開き、冷媒の一部が空気温調器１５、水素温調器４２を介してイオンフィルタ５６に流通するように制御する。

次に、ステップＳ２０において、スタック１から排出される冷媒温度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、冷媒温度Ｔ_soが発進許可可能な出力を発生できる所定温度Ｔ_s以上であるか否かを判断する。この判断基準となる所定温度Ｔ_sはスタック１の性能により左右されるが、一般には発電による生成水が再凍結しない０℃近傍以上であれば走行に必要な出力性能を確保できる。起動時には、スタック１と冷媒は非常に効率良く熱交換されるため、冷媒マニホールド１ｆ付近では、冷媒温度Ｔ_soはほぼスタック１の温度となる。つまり、起動時に、スタック１が氷点以上でない場合には、冷媒温度Ｔ_soはほぼ氷点以上とならない。言い換えれば、スタック１から排出される冷媒温度Ｔ_soに応じて、スタック１が氷点以上であるか否かを判断することができる。

ステップＳ３０において、冷媒温度Ｔ_soが所定温度Ｔ_sに達していなかったら（Ｔ_so＜Ｔ_s）、さらにスタック１の暖機が必要であると判断してステップＳ４０に進み、発進禁止信号を出力・保持する。ステップＳ５０において、スタック暖機制御を行う。

ここで、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。

スタック暖機制御は、スタック１が低温、例えば０℃より低温の場合に行う制御であり、この間は車両の発進が禁止された状態が維持される。ここでは、燃焼装置３０出生じた熱と、スタック１自体における発電に伴って生じた熱と、を用いてスタック１の暖機を行う。

起動後、燃焼装置３０のＥＨＣ３０ａに通電し、ＥＨＣ３０ａの温度を上昇させる。温度センサ１１３を用いてＥＨＣ３０ａの温度をモニタし、水素が着火する温度域になったことを検知したら、コンプレッサ２０を駆動する。コンプレッサ２０の吐出空気は、空気温調器１５、ＷＲＤ２１、スタック１を通り、燃焼装置３０に供給される。同時に、水素系のシャット弁４１を開いて水素をスタック１に供給する。このときシャット弁４７を閉じておくことにより、アノード循環路を遮断する。つまり、スタック１から排出された水素ガスは、ＦＣＶ４８を介して燃焼装置３０に供給される。供給される水素が、燃焼装置３０で所定の発熱を生じるために必要な流量と、スタック１で所定の発電を行うために必要な流量の和となるようにＦＣＶ４８を制御する。水素流量を、フローメータ４４でモニタし、この値を用いてフィードバック制御を行う。

なお、スタック１の発電量は、補機で消費できる分の発電量となる。この際、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１の自己発熱が増大する上、電気もスタック１や純水系の加熱に使用できるので、起動時間短縮や起動水素消費量低減に有利となる。

また、ＣＡＴ３０ｂにおける燃焼温度を調整するため、水素流量に対する空気流量（空燃比）をコンプレッサ２０の吐出量により制御する。燃焼温度は温度センサ１１４でモニタする燃焼ガス温度とする。この温度が所定値となるようにフィードバック制御を行う。このとき、発電で消費される酸素を考慮して、燃焼装置３０に供給されるカソード排ガスを用いた燃焼が所定温度となるように制御する。なお、このときの空気流量はフローメータ１２によりモニタ可能である。

このように燃焼を開始することにより、ＨＥ３０ｃにおいて暖機ループを循環する冷媒と燃焼ガスとの間で熱交換が行われて、冷媒が加温される。その冷媒は三方弁５３、シャット弁５４を通り、スタック１に導入される。また、一部の冷媒は分岐部５７において分岐して、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に導入される。その結果、ＣＡＴ３０ｂで発生した熱が、冷媒を介してスタック１に伝えられる。つまり、スタック１は自己発熱と燃焼装置３０の発熱により速やかに温度上昇が可能となる。

また、空気温調器１５、水素温調器４２において、燃焼装置３０において加温された冷媒と空気および水素の熱交換が行われるため、比較的高温の反応ガスがスタック１に供給される。なお、このときスタック１ではインジェクタ７５、７６から水が供給されない無加湿運転が行われるが、スタック１の温度が低いため、ドライアウトは生じ難い。また、燃焼装置３０に水素を供給するため、イジェクタ４５を介した水素ガス循環は行われない。そのため、暖機運転時には、特に水素温調器４２の欠陥診断を行わない。ただし、この限りではなく、必要に応じて水素温調器４２の欠陥診断を行ってもよい。

このような状態を継続することによりスタック１を暖機する。冷媒温度Ｔ_soが所定温度Ｔ_s以上となるまでステップＳ２０〜Ｓ５０を繰り返すことにより、スタック１の暖機を継続する。ステップＳ３０において、冷媒温度Ｔ_soが所定温度Ｔ_s以上となったら、ステップＳ６０に進み、車両側に走行可能をドライバに知らせるインフォメーションをReadyランプ等で実行し、発進制御に移行する。

次に、発進制御について説明する。発進制御を示すフローチャートを図５に示す。発進制御時には、アノードの圧力をＰＣＶ４３の開度により調整する。また、シャット弁４７を開とする。つまり、スタック１から排出されたアノード排ガスをイジェクタ４５を介して再循環させる。なお、ＦＣＶ４８は、基本的には閉とし、アノード内のパージの必要に応じて開とする。

ステップＳ１１０において、図示しない温度センサにより検出した外気温度Ｔ_atm、水タンク６０内の水レベルＬｗ、スタック１から排出される冷媒温度Ｔ_so、図示しない車両制御コントローラからの出力要求値Ｐ_wdを検出する。ステップＳ１２０において、水レベルＬｗが、所定レベルＬｗ₁に達しているか否かを判断する。ここで、所定レベルＬｗ₁は、循環開始可能な水量を示す値とする。水レベルＬｗが小さすぎる場合、水ポンプ６１により水を循環できないというような不具合を発生する。例えば、停止時に低温環境下に晒された場合には、純水系の水は排出されているので、起動直後の水レベルＬｗは小さい値となる。そこで、水セパレータ１７に回収される水、つまりカソードで生じる生成水を蓄積することにより、必要な純水を確保する必要がある。水タンク６０、および水セパレータ１７、スタック１から水を回収する配管やその配管に備えたシャット弁６８については、図示しない電気ヒータにより加熱して水の再凍結を防止する。

ステップＳ１２０において、水レベルＬｗが所定レベルＬｗ₁に達していない場合にはステップＳ１３０に進み、水タンク６０に溜められた水の循環禁止の状態を維持する。

このとき無加湿運転を継続するため、スタック１ではドライアウトが生じ易い状態となっている。このような状態で水素温調器４２に欠陥が生じると、循環するアノード排ガス中の水分が除去されてさらにドライアウトを生じ易い状態となってしまう。そこで、ステップＳ１４０において、水素温調器４２の欠陥診断を行う。ここで、水素温調器４２の欠陥診断について、図１６に示したフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１４１において、水素温調器４２の欠陥を検出する検出手段の出力を読み込む。ここでは、水素温調器４２から排出された水素温度を検出する温度センサ１２０の出力Ｔ_H2を読み込む。また、冷媒の温度を読み込む。例えば、水素温調器４２に導入される冷媒の温度を検出する温度センサ１１９の出力Ｔ_cを読み込む。次に、ステップＳ１４２において、水素温度Ｔ_H2と冷媒温度Ｔ_cの温度差ΔＴ（＝Ｔ_c−Ｔ_H2）が、制限値ｄＴ_lim未満であるか否かを判断する。ここで、温度差ΔＴが制限値ｄＴ_lim未満の場合は、ステップＳ１４５に進み、水素温調器４２において正常に熱交換が為されていると診断し、水素温調器４２の欠陥診断を終了する。一方、ステップＳ２６２において、温度差ΔＴが制限値ｄＴ_lim以上の場合には、ステップＳ１４３に進み、水素温調器４２の機能に欠陥が生じて、スタック１に低温の水素ガスが供給されると診断する。つまり、循環ガス中の水蒸気の多くが凝縮して、スタック１に低露点の水素ガスが供給されていると診断する。そこで、ステップＳ１４４に進み、水素温調器４２の機能欠陥時制御を行う。

水素温調器４２の欠陥時制御を、図７（ａ）のフローチャートを用いて説明する。

水素温調器４２に機能欠陥が生じていると判断されたら、ステップＳ１４４−１において、スタック１の運転を停止する信号を出力する。スタック１の運転を停止することによって、スタック１がドライアウトにより劣化するのを防ぐことができる。この場合には、ドライバにスタック１を停止する旨を伝える信号を出力するとともに、反応ガスの供給を停止して発電を停止する。

このように水素温調器４２の欠陥診断を行って、機能欠陥はないと判断された場合のみに運転を継続し、ステップＳ１５０に進む。ステップＳ１５０において、加湿水循環禁止時間の継続を示すタイマー値ｔ_mr-cont加算をする。初期値は０とする。ステップＳ１６０において、タイマー値ｔ_mr-contが継続制限値ｔ_mr-limを超えていないか否かを判断する。ここで、継続制限値ｔ_mr-limは、ＷＲＤ２１における加湿のみでスタック１において発電を継続できる時間とする。つまり、ドライアウトを生じずにスタック１で無加湿運転を継続することができる時間とする。タイマー値ｔ_mr-contが継続制限値ｔ_mr-limを超えていたら、ステップＳ１７０に進み運転を停止し、その旨をドライバに伝える信号を出力する。これにより、何らかの故障で水が蓄積されずに運転を継続することによりスタック１にダメージが与えられるのを防ぐことができる。

一方、ステップＳ１６０において、タイマー値ｔ_mr-contが、継続制限値ｔ_mr-lim以下の場合にはステップＳ１８０に進む。ステップＳ１８０において、冷媒目標温度Ｔ_souprを、純水を蓄積するために制限された値である所定値Ｔ_solimに設定する。ここで、冷媒目標温度Ｔ_souprは、スタック１から排出される冷媒の目標温度であり、ひいてはスタック１の目標温度である。また、所定値Ｔ_solimは、必要な水を蓄積するのに必要な時間無加湿運転を継続した場合に、スタック１の破損を防止できる運転温度とする。

図８に、最大出力で運転を行った場合の、冷媒温度Ｔ_soに対する無加湿運転の継続制限時間と、水蓄積に必要な時間を示す。水蓄積に必要な時間が継続制限時間より短くなるように冷媒目標温度Ｔ_souprを設定する。図８に示すように、冷媒温度Ｔ_soが低い、つまりスタック１の運転温度が低いほど、水蓄積に必要な時間を短縮することができる。また、スタック１の運転温度が低いほど、無加湿運転を継続できる時間が長くなる。このため、冷媒目標温度Ｔ_souprを低く制御することにより、ドライアウトを生じずに水を短時間で蓄積することができる。

ただし、外気温度Ｔ_atmが高い場合には、スタック１の運転温度を高出力下で低温に保つことは困難であり、冷媒目標温度Ｔ_souprを低い温度に設定することによりスタック１の出力制限を行う必要が生じる可能性がある。これを避けるために、冷媒目標温度Ｔ_souprを、走行に必要な出力を得つつスタック１の温度を制限できる温度以上の値である所定値Ｔ_solimに設定する。起動時の外気温度Ｔ_atmが低いと予測される場合には、所定値Ｔ_solimをかなり小さく設定することができる。

なお、ステップＳ１６０における制限値ｔ_mr-limは、冷媒温度Ｔ_soを所定値Ｔ_solimに設定した際にドライアウトに生じるまでの時間、またはそれ以下の時間となるように設定しておく。

次に、ステップＳ１９０に進み、三方弁５３の開度制御を行う。つまり、スタック１から排出された冷媒の暖機ループ側と冷却ループ側への分流比Ｒ_voを制御する。三方弁５３の開度制御を図９のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１９１において、冷媒温度Ｔ_soと冷媒目標温度Ｔ_souprとの温度偏差ｄＴ（＝Ｔ_soupr−Ｔ_so）を算出する。次に、ステップＳ１９２において、温度偏差ｄＴに応じて、分流比Ｒ_voをマップ検索する。ここで用いるマップを図１０に示す。横軸を温度偏差ｄＴ、縦軸を冷却ループへの分流比Ｒ_voとする。Ｒ_vo＝１００％は、冷媒を全てラジエータ５０側の冷却ループに流すことを意味する。

温度偏差ｄＴが大きい場合、分流比Ｒ_voは最小値Ｒ_vominとなり、ほぼ全ての冷媒を暖機ループに流すことにより、スタック１の温度上昇を促進する。温度偏差ｄＴが所定値ｄＴ₁以下になると分流比Ｒ_voを増大し、冷機ループに流れる冷媒流量を増大する。温度偏差ｄＴが所定値ｄＴ₂で、冷却ループへの分流比Ｒ_voは最大値Ｒ_vomaxとなる。つまり、温度偏差ｄＴが所定値ｄＴ₁から所定値ｄＴ₂の間に制御された場合は、冷却性能が外気温度に対して十分であることを示し、所定値ｄＴ₂より小さい、もしくは負の値となる場合は、冷却系の能力が不足して温度を制御できないことを示す。

ステップＳ１９０において三方弁５３の開度を制御したら、ステップＳ２００に進み、冷媒流量制御を行う。冷媒流量制御のフローチャートを図１１に示す。

ステップＳ２０１において、冷媒流量ベースＱ_cbマップを検索する。ここでは、スタック１の出力要求値Ｐ_wdに対して冷媒流量ベースＱ_cbを予め設定しておき、記憶しておく。図１２に示すように、出力要求値Ｐ_wdに対して通常必要とされる冷媒流量ベースＱ_cbを、冷媒ポンプ５２の最小流量Ｑ_cminから最大流量Ｑ_cmaxの間で設定しておく。ここでは、定格出力に対して最大流量Ｑ_cmaxを設定する。

次に、ステップＳ２０２において、冷媒流量の制限値Ｑ_climを温度偏差ｄＴから求める。ここでは、図１３に示すような、温度偏差ｄＴに対する冷媒流量制限値Ｑ_climをマップとして記憶しておく。温度偏差ｄＴを検出し、図１３のマップを検索することにより制限値Ｑ_climを設定する。図１３では、制限値Ｑ_clim＝Ｑ_cmaxと設定される温度偏差ｄＴ₄を、冷機ループ側の冷媒が最大となる分流比Ｒ_vo＝Ｒ_vomaxに設定される温度偏差ｄＴ₂より小さい値に設定される。つまり、分流比Ｒ_voが先に最大値Ｒ_vomaxに設定され、それでも冷媒目標温度Ｔ_souprに制御するための冷却能力が不足場合に、循環する冷媒流量Ｑ_cを最大値Ｑ_cmaxに設定する。

ステップＳ２０３において、冷媒流量Ｑ_cを決定する。ここでは、冷媒流量ベースＱ_cbと、最小制限値Ｑ_climとを比較し、これらのうち大きい方を選択（セレクトハイ）してセットする。冷媒流量Ｑ_cに応じて、冷媒ポンプ５２の回転数を設定する。

このように冷媒流量Ｑ_cを設定したら、ステップＳ２１０においてラジエータファン５０ａを制御する。ラジエータファン５０ａの制御方法を図１４のフローチャートに示す。

ステップＳ２１１において、温度偏差ｄＴに対するラジエータファン５０ａの動力を設定する。ここでは、予め図１５に示すラジエータファン５０ａの動力Ｐ_wradマップを記憶しておく。温度偏差ｄＴを検出しマップ検索することにより動力Ｐ_wradを設定する。温度偏差ｄＴが０になる前に、ｄＴ＝ｄＴ₆（＜ｄＴ₄）でラジエータファン５０ａの動力が最大となり、この時点で、ラジエータ５０を含む冷媒系の冷却性能が最大の能力を発揮する。例えば、冷媒温度Ｔ_soが冷媒目標温度Ｔ_souprを超える状況においては、冷却系が最大の能力を発揮している状態となる。

次に、ステップＳ２２０において、燃料電池運転圧力Ｐ_oを決定する。ここでは、図１６に示すような冷媒温度Ｔ_soに対する液水不足時の運転圧力マップを参照する。通常制御時には、運転圧力Ｐ_oはスタック１の温度を代表する冷媒温度Ｔ_soに対して水バランスが取れるように設定される。これに対して液水不足時には、通常時より高い運転圧力Ｐ_oが設定される。つまり、水バランスがプラスとなる、言い換えれば凝縮水を生じ易い圧力に設定される。これにより、スタック１の加湿不足をさらに抑制することができる上、加湿水の蓄積を促進して、蓄積に必要な時間を短縮することができる。その結果、無加湿運転が継続される時間が短縮されるので、ドライアウトをさらに抑制することができる。

次に、ステップＳ２３０において、冷媒温度Ｔ_soを検出して冷媒目標温度Ｔ_souprと比較する。ここで、冷媒温度Ｔ_soが冷媒目標温度Ｔ_souprを超えていない場合には、ステップＳ２４０に進む。ステップＳ２４０においては、スタック１の出力Ｐ_wを出力要求値Ｐ_wdに設定する。つまり、出力を制限せずに、要求通りの出力を発生する。

一方、ステップＳ２３０において、冷媒温度Ｔ_soが冷媒目標温度Ｔ_souprを超えている場合には冷媒系の冷却性能が不足してドライアウトを生じる可能性があると判断する。そこで、ステップＳ２４０において、スタック１の出力の出力制限値Ｐ_wlimを図１７の外気温度Ｔ_atmに対する出力上限値を示すマップにより設定する。外気温度Ｔ_atmが高く、冷却性能が不足する場合には、冷媒目標温度Ｔ_souprを保持するために出力制限を行う。ここでは、スタック１の出力を外気温度Ｔ_atmに応じて設定した出力制限値Ｐ_wlim以下に制限することで、冷媒温度Ｔ_soを冷媒目標温度Ｔ_soupr以下に維持することができる。次にステップＳ２６０において、運転圧力Ｐ_wを決定する。ここでは、出力制限値Ｐ_wlimと出力要求値Ｐ_wdを比較して、小さい方を選択（セレクトロー）し、セットする。上記の制御を行うことにより、冷媒目標温度Ｔ_soupr（＝Ｔ_solim）を超える頻度を最小限としながら、出力制限が必要な状況を最小限としている。

このようにスタック１の出力を設定したら、再びステップＳ１１０に戻り、水タンク６０に加湿水供給可能な液水が蓄積されるまで、ステップＳ１１０〜Ｓ２６０を繰り返す。ステップＳ１２０において水レベルＬｗが所定レベルＬｗ₁以上になったら、水循環に必要な液水が確保できたと判断してステップＳ２７０に進む。ここで純水ポンプ７１を駆動し、加湿水循環を開始する。ステップＳ２８０に進み、無加湿運転継続時間ｔ_mr-contをリセットし（ｔ_mr-cont＝０）してから通常運転に移行する。

次に、通常運転について説明する。通常運転の制御方法を図１８に示すフローチャートを用いて説明する。通常運転時には、必要に応じて純水系内を純水が循環し、インジェクタ７５、７６から加湿水が噴射される。これは前述したようにカソード排ガスの圧力に応じて制御される。

ステップＳ２９１において、水素温器４２の欠陥診断を行う。ここでは、前述した欠陥診断と同様に、図６に示すフローチャートに従って行う。欠陥が検知されなかったら、ステップＳ２９２に進む。ステップＳ２９２において、外気温度Ｔ_atm、冷媒温度Ｔ_soを検出する。ステップＳ２９３において、冷媒目標温度Ｔ_souprを所定値Ｔ_sonormに設定する。ここで、所定値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。次に、ステップＳ２９４において、三方弁５３の開度制御を行う。なお、この三方弁５３の開度制御はステップＳ１９０において、冷媒目標温度Ｔ_souprを制限時の所定値Ｔ_solimから通常時の所定値Ｔ_sonormに変えただけのものとする。ステップＳ２９５において冷媒流量Ｑ_cを、ステップＳ２９６においてラジエータファン５０ａの回転数を制御する。ここでも、ステップＳ２００、Ｓ２１０において、冷媒目標温度Ｔ_souprを制限時の所定値Ｔ_solimから通常時の所定値Ｔ_sonormに変えただけのものとする。

このように冷媒の冷却性能を設定したら、ステップＳ２９７に進み、ステップＳ２２０と同様にスタック１の運転圧力Ｐ_oを設定する。ただしここでは、図１６の通常時参照マップを用いて、冷媒温度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Ｐ_oを決定したら、ステップＳ２９８においてスタック１の出力Ｐ_wを出力要求値Ｐ_wdに設定する。このように出力Ｐ_wを設定したら通常運転制御を終了し、所定時間毎に繰り返し行う。

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１９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に水が蓄積される。走行可能な電力を発電可能となる程度（＝所定温度Ｔ_s）までスタック１を昇温したら、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生成水量が増大するが、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。蓄積された水の量が、加湿可能な所定量に達したら、この冷媒目標温度Ｔ_souprを通常時の所定値Ｔ_sonormに設定して通常運転を開始する。

走行許可が下りてから純水の供給が開始されるまでの無加湿運転時に、水素温調器４２に欠陥が生じた場合には、供給される低温水素ガスにより循環する燃料ガス中の水分が凝縮してスタック１でドライアウトを生じる可能性がある。本実施形態では、このような事態が生じるのを防ぐために水素温調器４２に欠陥検出手段を備え、水素温調器４２に欠陥が生じた場合には、スタック１の発電を停止する。

なお、本実施形態では、水素温調器４２の欠陥時には図１７（ａ）に示すように制御したが、この限りではない。例えば、発進制御のステップＳ１４０における水素温調器４２の欠陥診断は図１７（ｂ）、（ｃ）に示すフローに従って制御してもよい。

図１７（ｂ）において、水素温調器３２に機能欠陥が生じていると判断されたら、ステップＳ１４４−２に進み、無加湿運転時に冷媒目標温度Ｔ_souprとして採用される所定値Ｔ_solimをＴ_solim-fとする。つまり、ステップＳ１８０において、Ｔ_soupr＝Ｔ_solim-fとなる。ここで、Ｔ_solim-fを、低露点の水素を供給されても所定時間、例えばｔ_mr-limの間、運転継続が可能となる温度とする。図８に示すように、通常の水素入口露点時の所定値Ｔ_solimより小さい温度となる。つまり、スタック１の温度をさらに抑制することで、ドライアウトを生じやすい状態を抑制し、また短時間で水蓄積を行うように制御する。このように設定することにより、低露点の水素を供給されても、ある程度の時間運転を継続することが可能となる。

この温度に制御するために、外気温度がある程度高くて温度制限が困難な場合には、スタック１の出力を制限することにより対応してもよい。これにより、急にスタック１の運転を停止する必要はなく、連続して運転が可能となる。このように、水素温調器４２の欠陥に応じて、ドライアウトを生じ難い状態に設定したら、水素温調器４２の欠陥診断を終了しステップＳ１５０に進む。

または図１７（ｃ）において、水素温調器４２に機能欠陥が生じていると判断されたら、ステップＳ１４４−３に進み、ステップＳ１６０においてタイマー値ｔ_mr-contと比較する無加湿運転継続制限時間ｔ_mr-limをｔ_mr-lim-fとする。ここで、ｔ_mr-lim＞ｔ_mr-lim-f。このように、無加湿運転の継続時間を通常時より短時間に設定することにより、スタック１がドライアウトする前にスタック１の運転を停止することが可能となる。このように制御することで、スタック１そのものの損傷を抑制することができる。このように、水素温調器４２の欠陥に応じた制御を行ったら、水素温調器４２の欠陥診断を終了し、ステップＳ１５０に進む。

このように、水素温調器４２の欠陥が検出された場合には、スタック１の運転を停止したり、スタック１の温度を低く設定したり、無加湿運転時間を継続する時間を短く設定することで、ドライアウトを抑制することができる。

次に、本実施形態の効果を説明する。

燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行うスタック１と、スタック１に供給する燃料ガス、ここでは水素ガスを加温する水素温調器４２と、水素温調器４２の機能欠陥を検出する検出手段を備える。検出手段としては、温度センサ１１９，１２０を用いる。水素温調器４２に欠陥が生じた場合には、スタック１の運転を抑制する。これにより、スタック１でドライアウトを生じ難くすることができるので、スタック１が劣化するのを抑制することができる。

例えば、水素温調器４２に欠陥が生じた場合には、スタック１の運転を停止することによりスタック１の運転を抑制する。これにより、水素温調器４２に欠陥が生じたことにより、スタック１に供給される燃料ガス中の水分が低下することによりドライアウトが生じスタック１が劣化するのを防ぐことができる。

または、水素温調器４２に欠陥が生じた場合には、スタック１の運転温度を抑制することによりスタック１の運転を抑制する。ここでは、冷媒目標温度Ｔ_souprとして、水素温調器４２が正常な場合に比べて比較的低温の所定値Ｔ_solim-fを採用する。これにより、スタック１をドライアウトを生じ難い状態に制御することができる。その結果、スタック１がドライアウトにより劣化するのを抑制することができる。

または、水素温調器４２の下流側に加湿水を供給することにより燃料ガスを加湿する加湿手段を備える。ここではインジェクタ７６を備える。加湿用の液水が不足する場合には加湿水の供給を停止した状態で運転を行い、制限時間内に加湿水の供給が為されない場合には運転を停止する制御手段（Ｓ１３０〜Ｓ２６０）と、を備える。水素温調器４２に欠陥が生じた場合には、制限時間を短く設定する。ここでは、制限時間として、水素温調機４２が正常な場合に比べて比較的短時間のｔ_mr-lim-fを採用する。これにより、スタック１がドライアウトを生じる前に運転を停止することができるので、スタック１がドライアウトにより劣化するのを抑制することができる。

水素温調器４２、スタック１内を流れる冷媒とスタック１に供給される以前の水素ガスとの熱交換手段とする。また、水素温調器４２の機能失陥を検出する検出手段は、冷媒の温度Ｔ_cと水素温調器４２から排出された水素ガス温度Ｔ_H2と、を検出する温度センサ１１９、１２０とする。冷媒の温度Ｔ_cと水素ガスの温度Ｔ_H2の温度差が所定値ｄＴ_lim以上となった場合に水素温調器４２に欠陥が生じたと判断する。このように、排出される水素ガス温度Ｔ_H2と冷媒温度Ｔ_cとの差が小さい場合には、熱交換が適切になされていないと判断することができるので、水素温調器４２の欠陥診断を行うことができる。

また、スタック１から排出された燃料排ガスの少なくとも一部と、水素温調器４２により温度調整した水素ガスと、を混合して、スタック１に供給する。このように、アノード循環型の燃料電池システムにおいては、水素温調器４２に欠陥が生じることによりドライアウトが特に生じ易くなるので、特にスタック１のドライアウトを抑制する効果を得ることができる。

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２０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。また、補助加湿手段として、インジェクタ７５、７６の替わりに、スタック１の内部加湿手段を備える。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

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。

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を備え、その下流側とコンプレッサ２０の吸入側を接続する。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。また、カソード排ガスを加湿源とするＷＲＤ２１を備え、ＷＲＤ２１の下流側は第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を省略する。

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。

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のアノードマニホールド１ｂに接続され、その上流側には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。アノードマニホールド１ｅはイジェクタ４５の吸気側に接続し水素循環路を形成する。アノードマニホールド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に接続する分岐路を構成し、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。但し、水セパレータ４６、シャット弁７０は設けられていない。

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。

冷媒リザーバタンク５１を冷媒ポンプ５２の吸入側に接続する。冷媒ポンプ５２の吐出側は電気伝導度計１２１を介して、スタック１の冷媒マニホールド１ｃに接続する。冷媒マニホールド1ｃの下流側にはスタック１から排出された冷媒の冷媒温度Ｔ_SOを検出する温度センサ１１６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。冷媒は冷水タンク６０内に配置した熱交換部６０ａを流通し、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、純水凍結時には、水タンク６０内の水が比較的高温の冷媒から熱を受けて、水タンク６０内の水が解凍される。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。暖機ループまたは冷機ループを循環した冷媒を再び合流させ、水ポンプ５２によって循環する。なお、水ポンプ５２と並列に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。

次に、スタック１の加湿を行う純水系について説明する。

水タンク６０内の水ポンプ６１の吸い込み側にはストレーナ６２を備え、吐出側は、イオンフィルタ６３、電気伝導度計１２２を介してスタック１に接続する。スタック１内に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ネル１ｇを設ける。水チャネル１ｇ内を純水が流通する際に、多孔質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内を循環する水チャネル１ｇを構成する。

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に回収する流路には、シャット弁８１、シャット弁８３、圧力制御弁ＰＲＶ８４を備える。ＰＲＶ８４は、シャット弁８１、８３の間に、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用いることにより、カソード出口圧を参照圧として水チャネル１ｇ内の圧力を制御する。スタック１の水チャネル１ｇ内の圧力を、カソード内の空気圧力より若干低い圧力に制御する。これによりアノード、カソード内で生じた液水を多孔質プレートを介して吸収し、また、アノード、カソード内の反応ガスを加湿可能とする。

さらに、シャット弁８２、シャット弁８１、シャット弁８３を開放した場合には、回路内の水が水タンク６０に回収される。また、カソードの出口側に配置した水セパレータ１７は、シャット弁６８を備えた水配管を介して水タンク６０に純水を回収可能に構成する。さらに、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。ただし、水タンク６０内の水は、熱交換部６０ａを流通する冷媒との熱交換により解凍されるように構成する。

次に、このような燃料電池システムの制御方法を説明する。

なお、本システムでは、発電停止後に、図示しない二次電池からの電力によりコンプレッサ２０が駆動される。そしてＰＣＶ１８により若干加圧されたスタック１の空気圧により、水セパレータ１７内の水が水タンク６０に集められる。その後、シャット弁６８を閉として冷媒マニホールド１ｆ内の水を完全に排出し、凍結防止を行う。また、その他の純水系の経路も、シャット弁８１〜８３を開とすることにより水タンク６０内にドレインし、配管内での凍結を防止する。

このような燃料電池システムの運転制御の概略を図２１に示す。

まず、ステップＳ５において純水の解凍が必要であるか否かを判断する。必要ない場合には、ステップＳ６において冷媒温度Ｔ_soを通常の所定値Ｔ_sonormに設定して、通常運転を行う。解凍する必要がある場合には、ステップＳ７において、冷媒温度Ｔｓｏを制限時の所定値Ｔ_solimに設定して無加湿運転を行う。ステップＳ８において、三方弁５３開度、冷媒ポンプ５２の回転数、ラジエータファン５０ａ回転数を制御することにより、冷媒およびスタック１の温度を調整し、水タンク６０内の純水の解凍を行うことにより加湿水を確保する。

システム制御の詳細を、第１の実施形態と同様に、図４に示すフローチャートで示す。ただし、ステップＳ５０における暖機制御を以下のように行う。

氷点下における運転始動時、燃焼装置３０のＥＣＨ３０ａに通電し、加温する。温度センサ１１３によりモニタしたＥＣＨ３０ａの温度が、燃焼可能の温度域となったことを検知したら、コンプレッサ２０を運転する。コンプレッサ２０の吐出空気は、空気温調器１５、ＷＲＤ２１、スタック１を通り、ＰＣＶ１８を介して燃焼装置３０に供給される。同時に、水素系のシャット弁４１を開き、水素ガスをスタック１に供給する。このときＣＡＴ３０ｂにおいて所定の発熱が行われるように、ＦＣＶ４８により水素流量が制御される。この水素流量をフローメータ４４でモニタすることにより、フィードバック制御を行う。また、燃焼装置３０における燃焼温度を制御するために、温度センサ１１４により燃焼ガスの温度をモニタし、これが目標温度になるように空気流量のフィードバック制御を行う。

このような暖機制御時に、冷媒ポンプ５２を駆動し、燃焼装置３０で生じる熱を冷媒に移動させることにより冷媒温度を上昇させる。この冷媒をスタック１に循環させることにより、スタック１を燃焼に伴う熱により加温する。また同時に、スタック１の自己発熱により昇温するので、スタック１を短時間で暖機することができる。

また、発進制御を、図２２に示すフローチャートに従って行う。

第１の実施形態においては、スタック１で無加湿運転を行うか通常運転を行うかの判断を、水タンク６０内の水レベルＬｗで行った（Ｓ１２０）のに対し、ここでは、ステップＳ３２０に示すように純水温度により判断する。つまり、水タンク６０内の液水量を、温度センサ１１８で求めた水タンク６０内の純水温度Ｔｗにより判断する。ここで純水温度Ｔｗが所定温度Ｔｗ₁以上となったら、通常運転に移行する。なお、この所定温度Ｔｗ₁は予め設定しておき、例えば水タンク６０内の水が全解凍する温度、または循環するのに十分な液水量を示す温度とする。例えばＴｗ₁＝０℃とする。

なお、無加湿運転を行うと判断された場合には、スタック１から排出された冷媒は、空気温調器１５または水素温調器４２を介して水タンク６０の熱交換部６０ａに流通するので、スタック１の温度上昇に伴って純水の解凍が促進される。なお、ここではスタック１の下流側、燃焼装置３０の上流側に熱交換部６０ａを設ける。このため、スタック１の昇温を優先し、無加湿運転が開始されてから、水タンク６０内の解凍が行われる。

さらに、無加湿運転を行う際に、ステップＳ３８０において、ステップＳ１８０と同様に冷媒目標温度Ｔ_souprとして制限時の所定値Ｔ_solimを代入するが、このときＴ_solimを図２３に示すように解凍に必要な時間に応じて設定する。

図２３に、冷媒温度Ｔ_soに応じた無加湿運転を継続できる時間と、解凍に必要な時間を示す。解凍に要する時間が、無加湿運転を継続できる時間より短くなるように、冷媒目標温度Ｔ_souprを設定する。図２３に示すように、冷媒温度Ｔ_soが低い、つまりスタック１の運転温度が低いほど、解凍に要する時間は長くなる。また、スタック１の運転温度が低いほど、無加湿運転を継続できる時間は長くなる。このため、冷媒目標温度Ｔ_souprを、「解凍に必要な時間＜無加湿運転を継続できる時間」となる範囲で制限時の所定値Ｔ_solimを設定する。なお、ステップＳ３６０における制限値ｔ_mr-limは、冷媒温度Ｔ_soを所定値Ｔ_solimに設定した際にドライアウトに生じるまでの時間、またはそれ以下の時間となるように設定しておく。

また、ステップＳ３４０における水素温調器４２の欠陥診断においては、欠陥検出手段として、温度センサ１１９の変わりに、スタック１から排出され、水素温調器４２に供給される冷媒温度を検出する温度センサ１１６を用いる。ここで、温度センサ１１６の位置は、大きな熱交換要素がない場合には水素温調器４２の直前である必要はなく、少し離れて配置してもよい。温度センサ１１６により検出された水素温調器４２に供給される冷媒の温度と、温度センサ１２０により検出された水素温調器４２から排出される水素温度との差を求めて、水素温調器４２に欠陥が生じているか否かを判断する。

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２４に示すようになる。

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、水素温調器４２に欠陥が生じるとスタック１にドライアウトが生じる可能性がある。そこで、水素温調器４２の欠陥を検出することによりドライアウトを抑制する。

また、スタック１の温度が過度に上昇するとドライアウトが生じ易くなる。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５０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。

これにより、冷媒温度Ｔ_soが冷媒目標温度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。

なお、本実施形態では、補助加湿手段としてスタック１の内部加湿手段を採用している。そのため、水素温調器４２に欠陥が生じてスタック１に比較的温度が低く、含有水量も小さい燃料ガスが供給される場合にも、スタック１の温度が十分であれば水チャネル１ｇから加湿水を供給することができる。その結果ドライアウトを抑制することができる。つまり、本実施形態においては、通常運転時の水素温調器４２の欠陥診断（Ｓ２９１）は省略することができる。これにより、運転停止となる機会を少なくすることができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

スタック１に、多孔質プレートにより構成した水チャネル１ｇを備える。ここでは、加湿水を供給することにより燃料ガス、酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿手段として、スタック１に内部加湿手段となる水チャネル１ｇを多孔質プレートにより構成する。このような構成においても、特に加湿水の循環が為されない場合に水素温調器４２に欠陥が生じることによりドライアウトが生じ易くなるが、これを検知して運転を抑制することで、スタック１のドライアウトを抑制することができる。多孔質部材からなる水チャンネル１ｇを有することで生成水をある程度保持しておくことが可能であり、無加湿運転によるドライアウトまでの時間を延ばすことができる。

また、スタック１で加温された冷媒を、水素温調器４２における水素加温の熱源として使用してから、加湿水解凍の熱源として使用する。これにより、スタック１でドライアウトを生じるのを避けることを優先しつつ、加湿水の解凍を行うことができる。

なお、上記実施の形態においては、燃料電池システムの出力および冷媒制御と、水素温調器４２の欠陥診断とをシリーズに行っているが、パラレルに行っても良い。つまり、燃料電池システムの運転状態にかかわらず、所定時間毎に水素温調器４２の欠陥診断を行ってもよい。

また、水素温調器４２に欠陥が生じているか否かを判断する際に、温度センサ１２０の替わりに、温度センサ１１５の出力を用いてもよい。つまり、スタック１に供給される燃料ガス温度を検出することにより、水素温調器４２の欠陥を判断してもよい。

このように、本発明は、上記発明を実施するための最良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為し得ることは言うまでもない。

本発明は、固体高分子電解質型の燃料電池を用いた燃料電池システム、特に、アノード側に燃料ガスの循環流路を構成した燃料電池システムに適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。水素温調器欠陥診断の概略を示すブロック図である。第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略制御フローチャートである。第１の実施形態における燃料電池システム起動制御のフローチャートである。第１の実施形態における燃料電池システム発進制御のフローチャートである。水素温調器診断のフローチャートである。水素温調器欠陥時制御のフローチャートである。スタック温度に応じた無加湿運転継続制限時間・水蓄積時間を示す図である。三方弁開度制御のフローチャートである。温度偏差に対する三方弁開度(分流比)を示す図である。冷媒流量制御のフローチャートである。出力要求値にたいする冷媒流量ベースを示す図である。温度偏差に対する冷媒流量制限値を示す図である。ラジエータファン制御のフローチャートである。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。スタック温度にたいする通常時および水不足時の運転圧力を示す図である。外気温度に対する出力制限値を示す図である。通常運転制御のフローチャートである。第１の実施形態における発電量・スタック温度の時間変化を示す図である。第２の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。第２の実施形態に用いる燃料電池システムの概略制御フローチャートである。第２の実施形態における燃料電池システム発進制御のフローチャートである。スタック温度に応じた無加湿運転継続制限時間・解凍時間を示す図である。第２の実施形態における発電量・スタック温度の時間変化を示す図である。

符号の説明

１スタック
１ｇ水チャネル（加湿手段）
４２水素温調器（燃料温度調整手段）
７５、７６インジェクタ（加湿手段）
１１９温度センサ(検出手段)
１２０温度センサ（検出手段）
Ｓ１３０〜Ｓ２６０制御手段

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを加温する燃料温度調整手段と、
前記燃料温度調整手段の機能欠陥を検出する検出手段と、を備え、
前記燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、前記燃料電池の運転を抑制することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、前記燃料電池の運転を停止することにより前記燃料電池の運転を抑制する請求項１に記載の燃料システム。
前記燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、前記燃料電池の運転温度を抑制することにより前記燃料電池の運転を抑制する請求項２に記載の燃料電池システム。
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ供給する燃料ガスを加温する燃料温度調整手段と、
前記燃料温度調整手段の機能欠陥を検出する検出手段と、
前記燃料温度調整手段の下流側で加湿水を供給することにより燃料ガスを加湿する加湿手段と、
加湿用の液水が不足する場合には加湿水の供給を停止した状態で運転を行い、制限時間内に加湿水の供給が為されない場合には運転を停止する制御手段と、を備え、
前記燃料温度調整手段に欠陥が生じた場合には、前記制限時間を短く設定することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料温度調整手段は、前記燃料電池内を流れる冷媒と前記燃料電池に供給される以前の燃料ガスとの熱交換手段であって、
前記燃料温度調整手段の機能失陥を検出する検出手段は、冷媒の温度と前記燃料温度調整手段から排出された燃料ガスの温度と、を検出する手段であって、
前記冷媒の温度と燃料ガスの温度差が所定値以上となった場合に前記燃料温度調整手段に欠陥が生じたと判断する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池から排出された燃料排ガスの少なくとも一部と、前記燃料温度調整手段により温度調整した燃料ガスと、を混合して、前記燃料電池に供給する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に、多孔質プレートにより構成した水チャネルを備える請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。