JP2005129448A

JP2005129448A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005129448A
Application number: JP2003365986A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Sakai; 弘正酒井; Takayuki Arai; 孝之荒井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP4701600B2

Abstract

【課題】氷点下起動時でも速やかに燃料電池を発電開始できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】冷媒を加熱する燃焼装置３０と、スタック１内に燃焼装置３０によって加熱された冷媒と熱交換を行う熱交換部１ｈと、を備える。また、スタック１をバイパスする分岐配管１５５を備える。燃料電池１の冷媒温度を温度センサ１１９で検出し、その温度によって熱交換部１ｈへ流れる冷媒流量と、分岐配管１５５へ流れる冷媒流量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池の温度制御に関するものであり、特に氷点下起動時の燃料電池暖機に関するものである。

従来、ヒータなどにより熱交換媒体を加熱し、その加熱媒体によって燃料電池を加熱するものが、特許文献１に開示されている。
特開２０００−３１５５１２号公報

しかし、上記の発明では、氷点下起動にクーラントを加熱し、加熱されたクーラントを燃料電池に供給すると、クーラントの加熱が十分でないときにはクーラント温度が氷点下という状況が発生する。また、氷点下で燃料電池において発電を開始させると、燃料電池のセル面内で反応が均一ではなく、局所的に反応により温度が上昇して発電をしている部分があり、この部分では既に氷点下を超える温度となっている。この部分にその温度より低いクーラントを流すことは、発電により上昇した温度を再び下げてしまうことになり、局所的な反応を押さえることになる。燃料電池を加熱するためには燃料電池内での反応を活性化することが有効であるが、低いクーラントを流すことはこれを阻害する恐れがある。

また、氷点下のクーラントにより、反応により生じた生成水が熱を奪われ、再凍結してカソードチャンネル内を閉塞する可能性があり、氷点下発電ができなくなるおそれがあり、これは氷点下からの燃料電池起動を阻害することになってしまう。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、氷点下起動時に燃料電池の発電を阻害せずに燃料電池システムを暖機することを目的とする。

本発明では、燃料電池と、クーラントを冷却する冷却手段と、冷却手段によって冷却されたクーラントを燃料電池へ循環させ、燃料電池と熱交換可能な冷却回路と、を備えた燃料電池システムにおいて、クーラント温度を検出する温度検出手段と、クーラントを加熱する加熱手段と、加熱されたクーラントを燃料電池へ循環させ、燃料電池を温める加熱回路を備える。また、加熱回路から分岐し、クーラントが燃料電池をバイパスするバイパス回路を備える。更に燃料電池上流のクーラント温度に基づいて加熱回路とバイパス回路へ流入するクーラント流量を制御するクーラント流量制御手段と、を備える。

本発明によると、例えば氷点下起動時に燃料電池へ供給するクーラントの温度が低い場合には、クーラントの一部もしくは全流量を、燃料電池をバイパスするバイパス回路へ流すことで、燃料電池へ流入するクーラントの量を少なくできる。これによって、燃料電池の発電によって温度の高くなった箇所を温度の低いクーラントによって再び下げてしまうことを防止することができる。また、バイパスしたクーラントは再び加熱手段によって加熱されるので、クーラントを素早く加熱することができる。

第１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。

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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（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。

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。

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。

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５０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、加熱手段である燃焼装置３０を循環する加熱回路である暖機ループ１７１とラジエータ５０を循環する冷却回路である冷機ループ１７０とに分岐する（暖機ループ１７１と後述する熱交換部１ｈが加熱回路を形成し、冷機ループ１７０と熱交換部１ｈが冷却回路を形成する）。

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。

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、温度検出手段である温度センサ１１９、三方弁１５１、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。

合流部５９とクーラント入口マニホールド１ｃとの間に備えられた三方弁１５１には、スタック１をバイパスするバイパス回路として分岐配管１５５が接続している。この分岐配管１５５はスタック１をバイパスし、スタック１のクーラント出口マニホールド１ｆの下流の合流部１５４でスタック１と熱交換を行った冷媒が流れる管路と接続する。クーラント流量制御手段である三方弁１５１の開度を調整することスタック１と分岐配管１５５へ流れる冷媒の流量を調整できる。なお、三方弁１５１の上流に設けた温度センサ１１９において、三方弁１５１で分流する前の冷媒温度を測定する。

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冷媒とスタック１は熱交換部１ｈで熱交換を行い、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の下流にはスタック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。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。

水貯留手段である水タンク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。

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。

また、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。

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。

コントローラ１００で行うスタック１の温度制御の一部の概略ブロックを図３に示す。

スタック１の入口温度目標生成装置において、冷媒入口目標温度Ｔｔｃｉｎを求め、冷媒入口目標温度信号として燃料電池入口冷媒温度制御装置に入力する。また、温度センサ１１９において冷媒入口温度を検出し、その結果を冷媒入口温度Ｔｃｉｎの信号として燃料電池入口冷媒温度制御装置に入力する。冷媒入口目標温度Ｔｔｃｉｎと冷媒入口温度Ｔｃｉｎとから、スタック１への冷媒量を調整する三方弁１５１を制御するアクチュエータ制御信号を出力し、これに従って図示しないアクチュエータを制御する。

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チャートを図４に示す。

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４の制御を開始する。図４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。

次に、本制御の詳細を図５のフローチャートを用いて説明する。

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。

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。

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Ｔｓ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。

ステップＳ３０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）運転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図６のフローチャートを用いて説明する。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。

ステップＳ５１０において、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でモニタする。また、ステップ１０で既にクーラントポンプ５２は作動しているので、冷媒は冷媒系を循環する。この時三方弁５３は暖機ループ１７１側へ、三方弁１５１は冷媒がスタック１をバイパスするように設定されている。

ステップＳ５１１において、ＣＡＴ３０ｂの温度が水素着火温度になるとコンプレッサ２０を起動する。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。

なお、スタック１の発電量は、補機類（例えば電気ヒータなど）で消費できる電力量であり、生成された水は凍結してもスタック１のカソードを閉塞しない生成量（電力量）である。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。

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。ここでの目標温度とは、冷媒を加熱するために必要なＣＡＴ３０ｂの温度である。

ステップＳ５１２において、三方弁１５１の上流に設けられた温度センサ１１９によって、冷媒温度Ｔｃｉｎを検出し、スタック１入口の目標冷媒温度Ｔｔｃｉｎと冷媒温度Ｔｃｉｎとの差からスタック１入口の温度偏差（以下、入口温度偏差）ｄＴｃｉｎ（ｄＴｃｉｎ＝Ｔｔｃｉｎ−Ｔｃｉｎ）を算出する。

ステップＳ５１３において、ステップＳ５１２で算出した入口温度偏差ｄＴｃｉｎと閾値ｄＴｃ１と比較する。ｄＴｃｉｎがｄＴｃ１よりも大きい場合は、ステップＳ５１２へ戻り、上記ステップを繰り返す。ｄＴｃｉｎがｄＴｃ１よりも小さい場合は、ステップＳ５１４へ進む。閾値ｄＴｃ１は冷媒をスタック１へ流し始めても、スタック１の発電反応を阻害しない温度であり、実験などによって予め求め設定する。ここではｄＴｃ１を負の値に設定する。つまり、目標冷媒温度よりも実際の冷媒温度が高くなるように設定する。これにより、スタック１での発電が開始された後に、温度の低い冷媒によりスタック１の温度が再び下がり、スタック１の発電を停止することがない。

ステップＳ５１４では、ｄＴｃｉｎと閾値ｄＴｃ２と比較する。ｄＴｃｉｎがｄＴｃ２よりも大きい場合は、ステップＳ５１５へ進み、ｄＴｃ２よりも小さい場合は、ステップＳ５１６へ進む。閾値ｄＴｃ２は冷媒温度が温められ、スタック１へ冷媒を供給してもスタックの発電を全く阻害しない温度であり、スタック１全体を温めることのできる温度である。この閾値ｄＴｃ２は実験などによって予め求め、設定する。ここではｄＴｃ２をｄＴｃ１よりも低い値に設定する。また、フィードバック制御により目標温度を達成するように温度制御を行ってもよい。

ステップＳ５１５では、ステップＳ５１２で算出したｄＴｃｉｎに応じて図７に示すマップから三方弁１５１の開度、すなわち分流比を決定する。そして三方弁１５１の開度を制御し、スタック１とスタック１をバイパスする分岐配管１５５へ流れる冷媒の流量を制御する。その後ステップＳ５１２へ戻り、上記ステップを繰り返す。図７は入口温度偏差と三方弁１５１の開度を記憶したマップであり、目標温度Ｔｔｃｉｎよりも冷媒温度Ｔｃｉｎが高いｄＴｃ１からｄＴｃ２の範囲では、入口温度偏差ｄＴｃｉｎが小さい、すなわち冷媒温度が高い程、スタック１へ流れる冷媒の量が多くなり、流路１５５を通りスタック１をバイパスする冷媒の量は少なくなる。入口温度偏差ｄＴｃｉｎがｄＴｃ２よりも小さい場合には分流比はＲｖｃｏｍａｘと設定され、全ての冷媒はスタック１へ流れ、偏差がｄＴｃ１よりも大きい場合には分流比はＲｖｃｏｍｉｎと設定され、全ての冷媒はスタック１をバイパスする。なお、このマップは予め実験などにおいて求められ、コントローラ１００に記憶されている。

これにより、冷媒の温度が十分に温まっていないときには、スタック１へ流れる冷媒を遮断、もしくは冷媒の量を少なくすることができる。また一部の冷媒は、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、三方弁１５１を介して、スタック１に流れる。これよりスタック１だけでなく原料となる空気（酸素）と水素を温めることができる。

ステップ５１６では、ＨＥ３０ｃで熱交換を行った冷媒の温度が十分に高くなったので、三方弁１５１を調整し、冷媒の全流量がスタック１へ流れるように制御する。

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。

スタック１は熱交換部１ｈで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へ戻り上記ステップを繰り返す。

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８に示したフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ６００において、スタック１の冷媒出口温度Ｔ_SOが走行可能な温度、つまり少なくとも氷点下以上になっているので、スタック１で生成される水が再凍結することはない。そのため冷媒が全てスタック１へ流れるように三方弁１５１の開度を制御する。また、これによりスタック１の温度上昇によるスタック１の乾燥を防ぐことができる。

ステップＳ６０１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Ｓ６０２に進む。

ステップＳ６０２では、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。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。

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Ｓ６０２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。

ステップＳ６０２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Ｓ６０３に進む。ステップＳ６０３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。

ステップＳ６０３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Ｓ６０４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。

図９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。

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にだけ、運転停止の際に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こと、例えば、氷点下以下などが予想される。その場合はスタック１の運転温度を低く設定し、運転開始までの時間を短縮することができる。

ステップＳ６０４でＴ_SOUPR＝Ｔ_SOLIMと設定したら、ステップＳ６０５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１０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。

ステップＳ１０１０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_TSOUPRとのスタック１の冷媒出口温度偏差（以下、出口温度偏差）ｄＴ＝Ｔ_SOUPR-Ｔ_SOを求める。ステップＳ１０２０において、その出口温度偏差ｄＴに応じて三方弁５３の開度ＲＶ０を図１１に示すようなマップで検索する。図１１は、出口温度偏差ｄＴに対して設定される冷機ループへの分流比ＲＶ０である。ＲＶ０＝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。出口温度偏差ｄＴが大きい場合、ＲＶ０を最小値ＲＶ０ｍｉｎ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。ところが出口温度偏差ｄＴが所定値ｄＴ１以下になると、分流比ＲＶ０を増大して冷機ループ側にも循環させる。出口温度偏差がｄＴ２になると、冷機ループへの分流比ＲＶＯ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、出口温度偏差ｄＴはｄＴ１からｄＴ２の間に制御可能である。しかし、この状態で出口温度偏差ｄＴがｄＴ２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。

このように三方弁５３を制御したらステップＳ６０６に進み、冷媒流量を制御する。冷媒流量の制御を、図１２に示したフローチャートを用いて行う。

まず、ステップＳ１２１０において、要求出力Ｐｗｄに対して冷媒流量のベースＱｃｂを図１３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Ｓ１２２０において、図１４のステップＳ１０１０で求めた出口温度偏差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１４に示すような出口温度偏差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。

次にステップＳ１２３０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。

図１１、１４に示すように、Ｑｃｌｉｍ＝ＱｃｍａｘとなるｄＴ４は冷媒を全て冷機ループ側に循環させるＲＶＯ＝ＲＶＯＭＡＸとなるｄＴ２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ＲＶ０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。

次に、ステップＳ６０７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１５にラジエータファン動力制御のフローチャートを示す。

ステップＳ１５１０において、出口温度偏差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１６に示すようなマップを記憶しておき、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１６に示すように、ここではｄＴが０近傍の正の値ｄＴ６（＜ｄＴ４）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ｄＴ６＜ｄＴ４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。

次に、ステップＳ６０８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、これらは図１７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１７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Ｓ６０２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。

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Ｓ６０９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。

超えていない場合、ステップＳ６１０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。

一方、ステップＳ６０９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Ｓ６１１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１８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。

次に、ステップＳ６１２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。

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Ｓ６０２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Ｓ６１３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Ｓ６１４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１９のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１９１０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Ｓ１９２０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Ｓ１９３０〜１９５０において、図８のＳ６０５〜６０７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Ｓ６０５〜Ｓ６０７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Ｓ１９６０に進み、ステップＳ６０８と同様に燃料電池の運転圧力を設定する。ただし、図１７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Ｓ１９７０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。

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２０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は、冷媒温度のスタック１の入口温度に応じて三方弁１５１によってスタック１へ流入する冷媒量を制御し、残りの冷媒をバイパスさせ、スタック１の発電を妨げないようにする。また、バイパスすることにより、冷媒は素早く温められるので、スタック１入口の目標冷媒温度まで素早く温めることができ、スタック１が走行可能な電力を発電するまでの時間を短くすることができる。そして、走行可能、つまりスタック１の暖機が終了すると冷媒がスタック１へ流れるように三方弁１５１を制御し、水タンク６０の水量に応じて、冷媒の温度や流量を制御する。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

スタック１の上流に三方弁１５１を備え、その三方弁１５１からスタック１をバイパスする分岐配管１５５を備えることで、冷媒の温度が低い場合にスタック１へ冷媒が流入するのを中止、または、流量を制御するので、氷点下起動時に冷媒によりスタック１の温度が下がるのを防ぐことができる。また、スタック１の発電反応により生成された水が冷媒の温度が低い場合に凍結するのを防ぐことができる。

ＨＥ３０ｃにより冷媒を温めるが、冷媒が十分に温められていないときにはスタック１をバイパスし循環するので、スタック１と熱交換を行わず、冷媒温度を下げずに冷媒全体を目標温度まで素早く加熱することができる。これにより、スタック１に目標温度に加熱された冷媒を素早く供給することができ、スタック１の暖機を素早く行うことができる。

三方弁１５１の開度調整によってスタック１へ流入する流量とパイパスする流量を調整することができ、簡単な構成で素早くスタック１を暖機することができ、またスタック１の発電を阻害するのを防ぐことができる。

次に、第２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２１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実施形態と異なる部分を中心に説明する。

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、温度センサ１１１を備える。スタック１のカソード出口マニホールド１ｄとＷＲＤ２１の間には、温度センサ１２と戻り経路７１へ分岐する分岐部１６０を備える。ＷＲＤ２１以下は第１実施形態と同様に構成する。

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に戻る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実施形態と同様に構成する。

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。

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。ただし、電気伝導度計１２１とクーラントポンプ５２の間には温度センサ１１９、分岐点１５３を設けており、この分岐点からスタック１をバイパスする分岐配管１５５が延びている。分岐配管１５５の途中には開度を調整することができるクーラント流量制御手段として流量制御弁１５２を備える。また、クーラント出口マニホールド1ｃの下流側にはスタック１から排出された冷媒の冷媒出口温度Ｔ_SOを検出する温度センサ１１６を備える。その下流の合流点１５４で、スタック１をバイパスした分岐配管１５５とスタック１の熱交換部１ｈを通った配管は接続する。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手段である熱交換部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。

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。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。

スタック１で加湿に使用されなかった純水は圧力制御弁ＰＲＶ６４を介して戻り経路７１により水タンク６０に戻ってくる。戻り経路７１は分岐部１６０と水排出路１６１によって接続しており、水排出路１６１は分岐部１６０と戻り経路７１の間にバルブ１６２を備える。ＰＲＶ６４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。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。

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し、バルブ１６２を開くことで水セパレータ１７内の水を水排出路１６１と戻り経路７１を経由して水タンク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。これにより水の凍結を防止することができる。

次に、起動時のスタック温度制御を説明する。図２２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２２のフローを開始する。

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。

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。

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５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。このときのスタック暖機制御を図２３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２３１０とステップＳ２３１１は第１実施形態のステップＳ５１０とステップＳ５１１と同じ制御なのでここでの説明は省略する。なお、この時流量制御弁１５２は全開となっている。

ステップＳ２３１２では、分岐点１５３の上流に設けられた温度センサ１１９によって、冷媒温度Ｔｃｉｎを検出し、スタック１入口の目標冷媒温度Ｔｔｃｉｎと冷媒温度Ｔｃｉｎとの差からスタック１入口の温度偏差（以下、入口温度偏差）ｄＴｃｉｎ（ｄＴｃｉｎ＝Ｔｔｃｉｎ−Ｔｃｉｎ）を算出する。

ステップＳ２３１３、Ｓ２３１４ではステップＳ２３１２で算出したｄＴｃｉｎと閾値を比較するが、これは第１実施形態のステップＳ５１３、Ｓ５１４と同じ制御なのでここでの説明は省略する。

ステップＳ２３１５では、ステップＳ２３１２で算出したｄＴｃｉｎに応じて図２４に示すマップから流量制御弁１５２の開度、すなわち分流比を決定する。そして流量制御弁１５２の開度を制御し、スタック１とスタック１をバイパスする分岐配管１５５へ流れる冷媒の流量を制御する。その後ステップＳ２３１２へ戻り、上記ステップを繰り返す。図２４は入口温度偏差ｄＴｃｉｎと流量制御弁１５２の開度を記憶したマップであり、ｄＴｃ１からｄＴｃ２の範囲では、入口温度偏差ｄＴｃｉｎが大きい、すなわち冷媒温度が小さい程、スタック１へ流れる冷媒の量が少なく、流路１５５を通りスタック１をバイパスする冷媒の量は多くなる。入口温度偏差がｄＴｃ２よりも小さい場合には流量制御弁１５２は全閉され、冷媒のほとんどがスタック１へ流れ、偏差がｄＴｃ１よりも大きい場合には流量制御弁１５２は全開されており、冷媒のほとんどがスタック１をバイパスする。なお、このマップは予め実験などにおいて求められ、コントローラ１００に記憶されている。

ステップ２３１６では、ＨＥ３０ｃで熱交換を行った冷媒の温度が十分に高くなったので、流量制御弁１５２を全閉し、冷媒のほぼ全ての流量がスタック１へ流れるように制御する。

ここでは、流量制御弁１５２の開度を全開にしても、冷媒の一部はスタック１へ流れるが、低温時の冷媒の粘性係数は高いのでスタック１での圧力損失が大きくなり、冷媒はスタック１をバイパスする分岐配管１５５へ流れる。これによって冷媒が、さほど温まっていないときにはスタック１へ流れる冷媒量を少なくし、触媒燃焼器３０ｂで温められるとスタック１へ流れる冷媒量を多くすることができ、スタック１を効率良く暖機することができる。また、スタック１をバイパスしているときにも冷媒が循環するので、冷媒を素早く温めることができる。

冷媒はスタック１の下流で水タンク６０内を通っており、氷点下では凍結してる水タンク６０を温め、加湿用の水を素早く確保することができる。

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へ戻り上記ステップを繰り返す。

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２５に示す。

まず、ステップＳ２５００において、流量制御弁１５２が全閉になっていないときには、流量制御弁１５２を全閉とし冷媒の全てがスタック１へ流れるようにする。これによってスタック１で発生する熱と冷媒の間での熱交換量を増やし、水タンク６０内の水を素早く温めることができるようになる。

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Ｓ２５０２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Ｓ２５０２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Ｓ２５０３からＳ２５１２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Ｓ６０３から６１２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。

なお、ステップＳ２５０４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９のかわりに図２６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。

一方、ステップＳ２５０２でＴｗ＞Ｔｗ１であると判断されたら、ステップＳ２５１３、Ｓ２５１４に進み、水ポンプ６１を稼動させることで、第１実施形態のステップＳ６１１、Ｓ６１２と同様に通常運転を開始する。

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２７に示すようになる。

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２７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は、冷媒温度のスタック１の入口温度に応じて三方弁１５１によってスタック１へ流入する冷媒量を制御し、残りの冷媒をバイパスさせ、スタック１の発電を妨げないようにする。また、バイパスすることにより、冷媒は素早く温められるので、水タンク６０内の氷を素早く解凍することができ、更にスタック１入口の目標冷媒温度まで素早く温めることができ、スタック１が走行可能な電力を発電するまでの時間が短くすることができる。そして、走行可能、つまりスタック１の暖機が終了すると冷媒がスタック１へ流れるように三方弁１５１を制御し、水タンク６０の水量に応じて、冷媒の温度や流量を制御する。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

スタック１をバイパスする分岐配管１５５を設け、氷点下起動時にＨＥ３０ｃによって加熱された冷媒の温度が低いときには、分岐配管１５５中に設けた流量制御弁１５２によってスタック１へ流入する冷媒の流量を制限し、一部の冷媒がスタック１をバイパスすることでスタック１の発電を妨げることなく冷媒によってスタック１を暖機することができる。

また、このとき加湿用の水タンク６０内に冷媒が通る熱交換部６０ａを設け、熱交換部６０ａでの熱交換によって凍結した水タンク６０内の水を解凍することでき、スタック１の温度上昇の前に加湿用の水を準備することができ、加湿不足状態での発電によるスタック１の劣化を防止することができる。

また、スタック１をバイパスしているときにも、ＨＥ３０ｃにおいて冷媒を温めることができ、更にこのときはスタック１において熱交換を行わないので冷媒を素早く温めることができ、水タンク６０内の氷を素早く解凍することができる。

冷媒が十分に温まったときには、流量制御弁１５２の開度を狭く、もしくは全閉とすることによってスタック１へ冷媒を多く流すことができ、スタック１を素早く暖機することができる。

流量制御弁１５２を設けることで、より簡単な構成でスタック１を暖機することができ、またスタック１の発電を阻害するのを防ぐことができる。

第１実施形態では三方弁１５１を使用し、第２実施形態では流量制御弁１５２と使用したが、図２に示すように、お互いに異なる流量制御手段を用いても良い。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明は、寒冷地で使用する燃料電池システムに利用でき、例えば、寒冷地で使用する燃料電池自動車に用いることができる。

第１実施形態における燃料電池システムの構成図である。本発明の燃料電池バイパス回路を示す概略図である。第１実施形態における燃料電池の温度制御の概略図である。第１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。第１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。第１実施形態における燃料電池の暖機制御を示すフローチャートである。第１実施形態の三方弁の燃料電池側への分流比を表す図である。第１実施形態における発進制御のフローチャートである。本発明の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。第１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。本発明の温度偏差に対する三方弁開度を示す図である。第１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。本発明の燃料電池出力に対する冷媒流量を示す図である。本発明の温度偏差に対する冷媒流量最小制限値である。第１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。本発明の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。本発明の燃料電池温度に対する運転圧力を示す図である。本発明の外気温度に対する燃料電池最大出力を示す図である第１実施形態における通常運転制御のフローチャートである。第１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。第２実施形態における燃料電池システムの構成図である。第２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。第２実施形態における燃料電池の暖機制御を示すフローチャートである。第２実施形態の流量調整弁の開度を表す図である。第２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。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。第２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燃料電池
１ｈ熱交換部
２０コンプレッサ
３０燃焼装置（加熱手段）
４０水素タンク
５１クーラントリザーバタンク
５２クーラントポンプ
６０水タンク（水貯留手段）
６０ａ熱交換部（熱交換手段）
１１９温度センサ（温度検出手段）
１５１三方弁（クーラント流量制御手段）
１５２流量制御弁（クーラント流量制御手段）
１５５分岐配管（バイパス回路）
１７０冷却ループ
１７１暖機ループ

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、
クーラントを冷却する冷却手段と、
前記冷却手段によって冷却された前記クーラントを前記燃料電池へ循環させ、前記燃料電池と熱交換可能な冷却回路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記クーラント温度を検出する温度検出手段と、
前記クーラントを加熱する加熱手段と、
前記加熱手段によって加熱された前記クーラントを前記燃料電池へ循環させ、前記燃料電池と熱交換可能な加熱回路と、
前記加熱回路から分岐し、前記クーラントが前記燃料電池をバイパスするバイパス回路と、
前記温度検出手段によって検出された前記クーラント温度に応じて前記加熱回路と前記バイパス回路へ流入するクーラント流量を制御するクーラント流量制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記加熱回路と前記バイパス回路の分岐部に三方弁を備え、
前記クーラント流量制御手段は、前記三方弁の開度を調整することによりクーラントの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記バイパス回路に流量制御弁を備え、
前記クーラント流量制御手段は、前記流量制御弁の開度を調整することによりクーラントの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記バイパス回路へ流入する前記クーラント流量は、前記クーラントの温度が低い程多く、前記クーラントの温度が高い程少なくすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の下流の前記クーラント温度を検出する温度検出手段を備え、
前記クーラント流量制御手段は、前記燃料電池の下流の前記クーラント温度が閾値を超えると前記バイパス回路へ流入を停止することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池を加湿する加湿水を貯留する水貯留手段と、
前記水貯留手段と前記加熱回路が熱交換を行う熱交換手段と、を備え、
前記熱交換手段は、前記パイパス回路の上流または下流に位置することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
氷点下起動時に、前記加熱手段によって加熱された前記クーラントを前記パイパス回路へ流すことにより、前記熱交換手段によって前記水貯留手段を温めることを特徴とした請求項６に記載の燃料電池システム。