JP2005276478A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの発電効率を飛躍的に向上させる。
【解決手段】 燃料電池スタック１１Ａの運転温度を検出する冷却液入口温度センサ１６、冷却液出口温度センサ１７と、燃料電池スタック１１Ａの運転温度を調整するラジエータ１４と、燃料電池スタック１１Ａを運転する際の目標となる運転温度である基本目標運転温度として、高温側で当該燃料電池システムのシステム効率を最大にする高温側運転温度又は低温側で前記システム効率を最大にする低温側運転温度のいずれかに設定し、燃料電池スタック１１Ａの運転温度を、基本目標運転温度に近づけるように三方弁１５によるラジエータ１４のバイパス量を制御するコントロールボックス１９とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば車両に搭載され、当該車両の走行トルクを発生させるための電力を燃料電池に発電させる燃料電池システムに関する。

従来より、例えば下記の特許文献１に記載されているように、燃料電池の外部因子に影響なく、燃料電池を長時間に亘って運転可能とする燃料電池運転制御システムに関する技術が考案されている。

この特許文献１に記載された燃料電池運転制御システムは、燃料電池本体に供給する空気の流量を、センサによって検出した燃料電池本体内部の温度に応じて調整することで、一定の目標運転温度を維持するような制御を行っている。
特開２００１−２０２９８１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された燃料電池運転制御システムでは、目標運転温度を一定とするか、目標運転温度の上限及び下限を設定し、当該目標運転温度を維持するような制御を行っている。したがって、特許文献１に記載された燃料電池運転制御システムでは、システム全体の発電効率を無視して、目標運転温度を上限と下限との間としていた。

すなわち、従来の燃料電池運転制御システムでは、燃料電池本体に空気があまり必要とされない低負荷時には、当該低負荷時の要求発電量に応じた空気を供給しても最適な目標運転温度とできないため、空気流量を多くする必要があり、当該必要な空気を供給するために余計な電力を使用する必要があり、システム全体での電力使用効率が良好ではないという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、システムの総合的な発電効率であるシステム効率を向上させ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。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて燃料電池で発電を行わせ、冷却手段により、燃料電池に冷却液を循環させて、燃料電池の運転温度を調整するに際して、制御手段は、燃料電池を運転させる際の目標となる運転温度である基本目標運転温度を、高温側運転温度範囲又は低温側運転温度範囲の何れかに設定し、運転温度検出手段で検出される運転温度を、基本目標運転温度とするように冷却手段を制御することにより、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池を運転させる際の目標となる基本目標運転温度を、高温側運転温度範囲又は低温側運転温度範囲の何れかに設定して、燃料電池の温度調整を行うので、効率の高い温度領域で燃料電池を発電させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システム１に適用される。

［燃料電池システム１の構成］
この燃料電池システム１は、燃料電池自動車などに搭載され、図示しない駆動モータに電力供給をすることにより、当該駆動モータに走行トルクを発生させるために燃料電池を発電させるシステムである。

この燃料電池システム１は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１１Ａを備える。この燃料電池スタック１１Ａは、例えば、固体高分子電解質膜を挟んでカソード極とアノード極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟み込み、複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック１１Ａが発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスをアノード極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をカソード極に供給する燃料電池システムについて説明する。

この燃料電池スタック１１Ａには、内部に供給される空気を加湿すると共に、発電反応に使用されなかった空気に含まれる水分及び発電反応の生成水を回収する加湿／回収部１１Ｂが設けられている。この加湿／回収部１１Ｂは、燃料電池スタック１１Ａの発電時に空気を加湿することにより固体高分子電解質膜を湿潤状態とすると共に、発電反応により発生した生成水等の余剰水分を回収する。

また、この燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１Ａに水素ガスを供給する水素供給系、燃料電池スタック１１Ａに空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１１Ａを加湿させるための加湿用純水循環系、燃料電池スタック１１Ａの温度調整を行う冷却液循環系を備える。この燃料電池システム１の各部位は、その動作が後述するコントロールボックス１９により制御される。

水素供給系は、図示しない水素タンクや水素圧力調整弁等からなる水素供給装置をコントロールボックス１９によって制御することによって、燃料電池スタック１１Ａの発電量に応じた流量の水素ガスを水素供給配管Ｌ１を介して、燃料電池スタック１１Ａのアノード極に供給する。そして、燃料電池スタック１１Ａで発電反応に使用されない水素ガスは、水素排出配管Ｌ２に導入され、再度水素供給配管Ｌ１の水素ガスと混合されて燃料電池スタック１１Ａに供給されたり、排出されたりする。

空気供給系は、図示しないコンプレッサや空気圧力調整弁等からなる空気供給装置をコントロールボックス１９によって制御することによって、燃料電池スタック１１Ａの発電量に応じた流量の空気を空気供給配管Ｌ３を介して、燃料電池スタック１１Ａのカソード極に供給する。ここで、燃料電池スタック１１Ａに供給される空気は、加湿／回収部１１Ｂで加湿された後に、カソード極に導入される。そして、燃料電池スタック１１Ａで発電反応に使用されない空気は、加湿／回収部１１Ｂで水分が回収された後に、空気排出配管Ｌ４に導入されて排出される。

加湿用純水循環系は、加湿／回収部１１Ｂに供給する加湿用純水を蓄積する純水タンク１２が、純水供給配管Ｌ５及び純水回収配管Ｌ６を介して加湿／回収部１１Ｂと接続されて構成されている。この加湿用純水循環系は、例えば純水供給配管Ｌ５に図示しない純水ポンプが設けられ、当該純水ポンプが燃料電池スタック１１Ａの発電時に駆動され、純水タンク１２から純水供給配管Ｌ５を介して加湿／回収部１１Ｂで空気を加湿させると共に、燃料電池スタック１１Ａから排出されて加湿／回収部１１Ｂで回収した水分を純水回収配管Ｌ６を介して純水タンク１２に戻す。また、燃料電池スタック１１Ａの発電反応により発生した生成水は、加湿／回収部１１Ｂで回収されて、純水回収配管Ｌ６を介して純水タンク１２に送られる。

また、この加湿用純水循環系において、純水タンク１２には、蓄積している純水の水位を検出する純水レベルセンサ１３が設けられている。この純水レベルセンサ１３による検出値は、コントロールボックス１９に読み込まれる。

冷却液循環系は、ラジエータ１４と、冷却液供給配管Ｌ７及び冷却液循環配管Ｌ８を介して加湿／回収部１１Ｂとが接続され、三方弁１５及び冷却液バイパス配管Ｌ９により冷却液供給配管Ｌ７と冷却液循環配管Ｌ８とが接続されて構成されている。この冷却液循環系は、図示しない冷却液ポンプを備え、当該冷却液ポンプが燃料電池スタック１１Ａの発電時に駆動され、燃料電池スタック１１Ａに冷却液（ＬＬＣ）を循環させる。また、この冷却液循環系において、ラジエータ１４は、車両が走行することによる送風を受けて、内部を通過する冷却液と熱交換させて冷却液の温度を低下させる。また、三方弁１５は、コントロールボックス１９からの制御信号によって、ラジエータ１４側の開口の開度及び冷却液バイパス配管Ｌ９側の開口の開度が調整され、ラジエータ１４を通過させる冷却液流量とラジエータ１４をバイパスさせる冷却液流量との流量比を調整する。

また、冷却液供給配管Ｌ７及び冷却液循環配管Ｌ８には、燃料電池スタック１１Ａの運転温度を検出するための冷却液入口温度センサ１６、冷却液出口温度センサ１７がそれぞれ設けられている。これら冷却液入口温度センサ１６及び冷却液出口温度センサ１７の検出値は、コントロールボックス１９に読み込まれ、当該コントロールボックス１９で燃料電池スタック１１Ａの運転温度が認識される。

コントロールボックス１９は、上述した冷却液入口温度センサ１６、冷却液出口温度センサ１７及び純水レベルセンサ１３の検出値を読み込むと共に、外気温を検出する外気温センサ１８の検出値を読み込む。また、コントロールボックス１９は、車両の走行経路の道路情報を含むナビゲーション情報をナビゲーションシステム２から読み込む。なお、ナビゲーション情報としては、車両が走行するであろう道路の運転状況や、高度、勾配などを含む。

そして、コントロールボックス１９は、各センサやナビゲーションシステム２からの情報を用いて、燃料電池スタック１１Ａの運転温度を燃料電池システム１の効率が最適となるように制御する運転温度制御処理を行う。なお、この運転温度制御処理の処理手順については、後述する。

［運転温度制御処理の動作原理］
つぎに、コントロールボックス１９によって実行される運転温度制御処理の原理について説明する。

通常、燃料電池システム１の発電効率は、（１）燃料電池スタック１１Ａの電流−電圧特性、（２）アノード極に供給された水素ガスと、カソード極に供給された酸素とが、燃料電池スタック１１Ａの発電に寄与せずに結合してしまう量、（３）アノード極に蓄積した窒素（Ｎ_２）をパージする際に、窒素と共にパージされる水素量といった３つの要因によって大きく変化することになる。これら３つの要因は、全て燃料電池スタック１１Ａの運転温度に依存しており、運転温度の変化によってそれぞれのパラメータが変化することになる。

そこで、燃料電池スタック１１Ａの電流密度−セル電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）の運転温度依存性を図２に示し、燃料電池スタック１１Ａ内の固体高分子電解質膜を透過してアノード極からカソード極に移動する水素量の割合を示す水素（Ｈ_２）透過係数の運転温度依存性及びパージによって排出される水素量の運転温度依存性を図３に示す。

図２に示すように、燃料電池スタック１１Ａの電流密度−セル電圧特性は、低出力の場合（電流密度を低くする場合）には、運転温度に依存しないが、高出力の場合（電流密度を高くする場合）には、異なる線種で示した燃料電池スタック１１Ａの運転温度が高くなるほどセル電圧が高くなることが分かる。これは、燃料電池スタック１１Ａの運転温度が高くなればエネルギーが増し、固体高分子電解質膜を透過する水素イオン量が増加するためである。

図３に示すように、水素透過係数は、燃料電池スタック１１Ａの運転温度、すなわちアノード極から排出される水素ガス温度が高くなるほど、高くなっている。また、パージによって排出される水素量は、燃料電池スタック１１Ａの運転温度が低い領域及び高い領域で減少していることが分かる。燃料電池スタック１１Ａの運転温度が高い場合に排出される水素量が少ないのは、水素同様に窒素の透過量も増加し、パージ時間が長くなるが、アノード極内に存在するＨ_２Ｏガス量（水蒸気量）が多く、パージ中に排出されるＨ_２Ｏガス量も増すため、相対的に排出水素量が減少するためである。一方、燃料電池スタック１１Ａの運転温度が低い場合に排出される水素量が少ないのは、水素の固体高分子電解質膜の透過が少ないために、アノード極における窒素量と同様に水素量も減少しており、パージ時間が短くなるためである。

このような図２、図３に示す特性に基づいて、消費する水素量に対する発電量を示すシステム効率は、図４に示すようになり、燃料電池スタック１１Ａの運転温度の低温側と、燃料電池スタック１１Ａの運転温度の高温側とで高くなることが分かる。この燃料電池システム１の発電効率の２極化は、特に低負荷時、即ち燃料電池スタック１１Ａに要求される発電量が小さい時に顕著となる。

したがって、コントロールボックス１９は、各種センサ、ナビゲーションシステム２からの情報に基づいた制御によって、燃料電池スタック１１Ａの運転温度が、図４に示す低温側運転温度範囲又は高温側運転温度範囲となるように制御することで、燃料電池システム１の効率を向上させることができる。つまり、コントロールボックス１９は、低温側と、高温側にそれぞれ目標となる運転温度閾値及び限界値を設定しておき、高温側又は低温側の運転温度閾値と運転温度限界値の間となるように燃料電池スタック１１Ａの温度調整を行うことで、効率を向上させることになる。例えば、燃料電池スタック１１Ａの通常運転温度が５０℃〜１２０℃である場合、５０℃〜６０℃を低温側運転温度範囲とし、１１０℃〜１２０℃を高温側運転温度範囲とする。なお、この低温側運転温度範囲及び高温側運転温度範囲は、燃料電池スタック１１Ａの構成や図２及び図３に示す特性によって異なり、実験等により求められて数値としてコントロールボックス１９に記憶されているものとする。

［運転温度制御処理の処理内容］
つぎに、上述した運転温度制御処理の処理内容について、図５乃至図８に示すフローチャートを参照して説明する。

この運転温度制御処理は、燃料電池システム１が起動、或いは、以下に説明する処理ルーチンが再び開始されて、各種センサ、ナビゲーションシステム２からの情報のコントロールボックス１９への送信がなされた場合に、ステップＳ１以降の処理を開始する。なお、燃料電池システム１が起動した初回のステップＳ１においては、後述する基本運転温度が低温側運転温度範囲に設定されているものとする。

ステップＳ１において、コントロールボックス１９は、外気温センサ１８からセンサ信号を読み込んで外気温のモニタを開始し、ステップＳ２で車両外の外気温を認識する。

ステップＳ３において、コントロールボックス１９は、認識した外気温と、外気温に関して設定した高温側所定値とを比較することにより、現在の外気温の環境下において燃料電池スタック１１Ａの運転温度を低温側運転温度範囲まで冷却することが不可能か否かを判定する。なお、この高温側所定値は、外気を受けて冷却液を冷却させるラジエータ７の放熱能力が高いほど高い温度値に設定される。そして、外気温が高温側所定値以上であると判定した場合は、ステップＳ４へと処理を進め、外気温が高温側所定値以上でないと判定した場合には、ステップＳ６へと処理を進める。

ステップＳ４において、コントロールボックス１９は、外気温が高温側所定値を超えているので、高温側運転温度範囲を基本目標運転温度に設定する。このように、燃料電池スタック１１Ａを発電させる時の基本的な目標となる基本目標運転温度を高温側運転温度範囲に設定することで、コントロールボックス１９は、当該燃料電池システム１での目標運転温度を常に高温側運転温度範囲に保ち、効率を向上させる制御を実行することができる。

ステップＳ５において、コントロールボックス１９は、純水レベルセンサ１３からのセンサ信号を取得し、純水タンク１２内の水位が所定値以下であるか否か判定をする。ここで、基本運転温度を高温側運転温度範囲とした後に純水レベルを判定するのは、高温で運転した場合には、固体高分子電解質膜を一定の湿潤状態に保持するために多くの水分を必要とするためである。また、水位の所定値は、純水タンク１２に蓄積されている加湿用純水を枯渇させないような水位が予め設定されている。そして、コントロールボックス１９は、水位レベルが所定値以下である場合はステップＳ７へと処理を進め、所定値よりも高い場合は図６のナビゲーション判定処理に進む。

一方、ステップＳ３で外気温が高温側所定値以上でないと判定されたステップＳ６において、コントロールボックス１９は、ステップＳ２で取得した外気温と、低温側所定値とを比較することで、現在の外気温の環境下において燃料電池スタック１１Ａの運転温度を低温側運転温度範囲まで冷却可能か否かを判定する。なお、この低温側所定値は、高温側所定値よりも低い外気温であって、ラジエータ７の放熱能力が高いほど高い温度値に設定される。そして、外気温が低温側所定値以下であると判定した場合は、ステップＳ７へと処理を進め、低温側所定値以下でないと判定した場合には、ステップＳ８へと処理を進める。

ステップＳ７において、コントロールボックス１９は、外気温が低温側所定値以下となっていること、或いは、純水タンク１２の水位レベルが所定値以下であることに応じて、低温側運転温度範囲を基本目標運転温度に設定する。すなわち、純水タンク１２内の水位レベルが所定値以下の場合は、水収支を最優先させる。

このように、基本目標運転温度を低温側運転温度に設定することで、コントロールボックス１９は、燃料電池システム１での目標温度を常に低温側運転温度範囲に保ち、効率を向上させる制御を実行すると共に、水収支を改善することができる。

コントロールボックス１９は、ステップＳ３で外気温が高温側所定値以上ではなく、ステップＳ６で外気温が低温側所定値以下でもないと判定された場合、ステップＳ８において、現在設定されている基本目標運転温度での運転を保つ。これにより、基本目標運転温度の頻繁な変更を回避することにより、燃料電池スタック１１Ａの運転温度のふらつきを抑制しつつ、効率を向上させることができる。なお、燃料電池システム１の起動時に、当該ステップＳ８に到達した場合は、低温側運転温度範囲を基本目標運転温度のままに維持する。

これにより、外気温に基づく基本目標運転温度の設定を完了し、コントロールボックス１９は、ナビゲーションシステム２からの情報に基づく基本目標運転温度の設定を実行する。この処理は、図６に示すように、コントロールボックス１９により、ステップＳ１１においてナビゲーションシステム２から道路状況情報を取得し、ステップＳ１２において勾配状況情報を取得し、ステップＳ１３において高度状況情報を取得する。

ステップＳ１４において、コントロールボックス１９は、ステップＳ１１〜ステップＳ１３で取得した道路状況情報、勾配状況情報、高度状況情報に基づいて、現在から先の時間における燃料電池スタック１１Ａの運転温度を予測して予測運転温度を求める。このとき、コントロールボックス１９は、道路状況情報から、車両が混雑している市街地や高速道路を走行する場合であって燃料電池スタック１１Ａの発電量が高くなると予測した場合には予測運転温度を高くし、混雑していない一般道等を走行する場合であって燃料電池スタック１１Ａの発電量が高くならない場合には予測運転温度を低くする。また、コントロールボックス１９は、登り勾配が多い道路を走行する場合であって燃料電池スタック１１Ａの発電量が高くなると予測した場合には予測運転温度を高し、下り勾配が多い道路を走行する場合であって燃料電池スタック１１Ａの発電量が高くならない場合には予測運転温度を低くする。更に、コントロールボックス１９は、高度が高い道路を走行する場合であってコンプレッサ等に要する電力が高くなって燃料電池スタック１１Ａの発電量が高くなると予測した場合には予測運転温度を高くし、高度が低い道路を走行する場合であって燃料電池スタック１１Ａの発電量が高くならない場合には予測運転温度を低くする。

そして、コントロールボックス１９は、ステップＳ１４において、各種パラメータから求めた予測運転温度が低温側運転温度範囲よりも高いか否かを判定し、予測運転温度が低温側運転温度よりも高い場合にはステップＳ１５へと処理を進め、低い場合は図７に示す閾値判定処理へと処理を進める。

ステップＳ１５において、コントロールボックス１９は、後述の閾値判定処理において、低温側運転温度範囲を基本目標運転温度としている場合における基本目標運転温度の変更タイミングを、直ちに変更する設定にする。

閾値判定処理は、図７に示すように、ステップＳ２１において、コントロールボックス１９により、冷却液入口温度センサ１６及び冷却液出口温度センサ１７からセンサ信号を読み込み、冷却液入口温度と冷却液出口温度との差異に基づいて燃料電池スタック１１Ａの現在の運転温度を算出し、ステップＳ２２において、現在の燃料電池スタック１１Ａの運転温度が図５のステップＳ４、ステップＳ７又はステップＳ８で設定した基本目標運転温度の範囲内にあるか否かを判定する。

そして、コントロールボックス１９は、現在の燃料電池スタック１１Ａの運転温度が基本目標運転温度の範囲内にあると判定した場合には、図８のバイパス冷却液（ＬＬＣ）流量制御処理に移行する。一方、運転温度が基本目標運転温度の範囲内ではないと判定した場合、コントロールボックス１９は、ステップＳ２３において、ステップＳ２２で現在の燃料電池スタック１１Ａの運転温度が基本目標運転温度の範囲内ではないと判定してから所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、基本目標運転温度が頻繁に変更されて、燃料電池スタック１１Ａの運転温度がふらつくことを回避するために設定されている。

ここで、コントロールボックス１９は、図示しないタイマの計時によるタイマ値を保持しており、前回の運転温度制御処理におけるステップＳ２２で燃料電池スタック１１Ａの運転温度が基本目標運転温度の範囲内であると判定し、今回のステップＳ２２で燃料電池スタック１１Ａの運転温度が基本目標運転温度の範囲内でないと判定した場合に、タイマによるタイマ値の計時を開始する。そして、コントロールボックス１９は、ステップＳ２３において、タイマ値が所定時間を超えていないと判定した場合には図８のバイパス冷却液流量制御処理に移行する。

一方、タイマ値が所定時間を超えたと判定した場合には、ステップＳ２４に処理を進め、図８のバイパス冷却液流量制御処理を行っても、現在設定されている基本目標運転温度に燃料電池スタック１１Ａの運転温度を移行させることが困難であり、効率の低い運転温度で燃料電池スタック１１Ａを発電させていると判定して、基本目標運転温度を変更する。そして、基本目標運転温度を変更すると共に、タイマ値をクリアして、ステップＳ２２、ステップＳ２３の処理を経て図８のバイパス冷却液流量制御処理に移行する。

また、このステップＳ２３において、現在の基本目標運転温度が低温側運転温度範囲である場合に、図６のステップＳ１５で所定時間を経過したものと設定された場合には、タイマ値に拘わらずステップＳ２４に移行することになる。更に、ステップＳ２４においては、現在設定されている基本目標運転温度を変更する場合に、燃料電池スタック１１Ａの運転温度を検出して、当該検出した運転温度に近い方の運転温度範囲を基本目標運転温度としても良い。

図８のバイパス冷却液流量制御処理は、先ずステップＳ３１において、コントロールボックス１９により、現在設定されている基本目標運転温度に対して、現在の燃料電池スタック１１Ａの運転温度が高いか否かを判定する。そして、高いと判定した場合、コントロールボックス１９は、ステップＳ３２において、冷却液循環配管Ｌ８からラジエータ１４に導入する冷却液流量を増加させ、ラジエータ１４をバイパスする流量を減少させる。このとき、コントロールボックス１９は、三方弁１５の冷却液バイパス配管Ｌ９側の開口の開度を小さくすると共に、三方弁１５のラジエータ１４側の開口の開度を大きくして、燃料電池スタック１１Ａを通過した冷却液の多くをラジエータ１４に通過させて、燃料電池スタック１１Ａの運転温度の低下を図る。

一方、基本目標運転温度に対して燃料電池スタック１１Ａの運転温度が高くないと判定した場合、ステップＳ３３において、冷却液循環配管Ｌ８からバイパスして冷却液バイパス配管Ｌ９に導入する冷却液流量を増加させる。このとき、コントロールボックス１９は、三方弁１５の冷却液バイパス配管Ｌ９側の開口の開度を大きくすると共に、三方弁１５のラジエータ１４側の開口の開度を小さくして、燃料電池スタック１１Ａを通過した冷却液の多くをラジエータ１４からバイパスさせて、燃料電池スタック１１Ａの運転温度の上昇を図る。

そして、コントロールボックス１９は、再度図５のステップＳ１に処理を戻して、基本目標運転温度を設定し、流量制御を行うことにより燃料電池スタック１１Ａの運転温度の調整を行うことになる。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１１Ａを運転させる際の目標となる基本目標運転温度を、高温側運転温度範囲又は低温側運転温度範囲の何れかに設定して、燃料電池スタック１１Ａの温度調整を行うので、図４に示すように効率の高い温度領域で燃料電池スタック１１Ａを発電させることができる。

また、この燃料電池システム１によれば、図７の閾値判定処理において、燃料電池スタック１１Ａの運転温度が、所定時間以上、基本目標運転温度として設定された低温側運転温度制御又は高温側運転温度範囲外となった場合、基本目標運転温度を高温側運転温度範囲又は低温側運転温度範囲に切り替えるので、頻繁に基本目標運転温度を変更することによる燃料電池スタック１１Ａの運転温度のふらつきを回避することができる。

更にまた、この燃料電池システム１によれば、外気温が高温側所定値よりも高い場合には、基本目標運転温度を高温側運転温度範囲に変更するので、外気温が高い場合に低温側運転温度範囲で燃料電池スタック１１Ａを発電させることなく、効率を向上させることができる。

更にまた、この燃料電池システム１によれば、外気温が低温側所定値よりも低い場合には、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に変更するので、外気温が低い場合に高温側運転温度範囲で燃料電池スタック１１Ａを発電させることなく、効率を向上させることができる。

更にまた、この燃料電池システム１によれば、複数回に亘って運転温度制御処理を行った結果、燃料電池スタック１１Ａの運転温度が連続的に低下している場合に、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に保持することもできるので、頻繁に基本目標運転温度を変更することによる燃料電池スタック１１Ａの運転温度のふらつきを回避することができる。

更にまた、この燃料電池システム１によれば、基本目標運転温度を切り替えた後に、当該切り替えた後の基本目標運転温度として設定された低温側運転温度範囲又は高温側運転温度範囲内に運転温度が達しない場合には、当該検出された運転温度に近い方の低温側運転温度範囲又は高温側運転温度範囲を基本目標運転温度に設定するので、冷却水流量制御処理によっても燃料電池スタック１１Ａの運転温度が基本目標運転温度にならない場合でも、効率の高い温度領域で燃料電池スタック１１Ａを発電させることができる。

更にまた、この燃料電池システム１によれば、純水タンク１２の水位が所定値を下回った場合に、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に設定するので、水収支を確実に成立させて加湿用純水の枯渇を回避しつつ効率の高い領域で燃料電池スタック１１Ａを発電させることができる。

更にまた、この燃料電池システム１によれば、道路状況、道路勾配、道路高度に基づいて、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に保持できないと判定した場合に基本目標運転温度を高温側運転温度範囲に設定するので、効率が高くない運転温度での発電を回避して、効率を向上させることができる。

［他の実施形態］
つぎに、上述した運転温度制御処理の他の実施形態について説明する。なお、上述した運転温度制御処理と同様の処理については、同一ステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。

本発明を適用した他の実施形態に係る運転温度制御処理は、基本目標運転温度として高温側運転温度範囲を優先的に選択することを特徴とするものである。この運転温度制御処理は、図９に示すように、図５にて説明したステップＳ３の処理に代えて、ステップＳ３１の処理を行う。このステップＳ３１において、コントロールボックス１９は、外気温センサ１８から取得した外気温と、低温側所定値にαを加えた値とを比較する。このαは、外気温が低温側所定値と近い場合に、僅かな外気温の違いによって、外気温と低温側所定値との大小関係がハンチングすることを防止するための値である。そして、コントロールボックス１９は、外気温が、低温側所定値＋α以上の場合は、ステップＳ４へと処理を進め、低温側所定値＋α未満の場合は、ステップＳ６へと処理を進める。

このステップＳ３１の処理は、図５のステップＳ３の処理で、高温側所定値以上のとき、高温側運転温度範囲を基本目標運転温度として設定していたのに対して、低温側所定値＋α以上として閾値を下げることで、高温側運転温度が基本目標運転温度に選択されやすくしている。

したがって、例えば、ラジエータ７の容量等が小さく冷却能力があまり期待できない燃料電池システム１において、図９に示す処理を適用することで、極力、基本目標運転温度として高温側運転温度が優先的に選択されるため、燃料電池スタック１１Ａの運転温度を高温側目標運転温度とし易くして、燃料電池システム１の効率を更に向上させることができる。

また、本発明を適用した更に他の実施形態に係る運転温度制御処理は、基本目標運転温度として低温側運転温度範囲を優先的に選択することを特徴とするものである。この運転温度制御処理は、図１０に示すように、図５におけるステップＳ６の処理に代えて、ステップＳ３２の処理を行う。

ステップＳ３２において、コントロールボックス１９は、取得した外気温と、高温側所定値αを取り除いた値（高温側所定値−α）とを比較することで、現在の外気温に基づいて燃料電池スタック１１Ａを低温側運転温度範囲に冷却可能か否か判定をする。外気温が、高温側所定値−α以下の場合は、ステップＳ７へと処理を進め、高温側所定値−α以上の場合は、ステップＳ８へと処理を進める。

ステップＳ３２の処理は、図５のステップＳ６の処理で、低温側所定値以下のとき、低温側運転温度を基本目標運転温度として設定していたのに対して、高温側所定値−α以下として閾値を下げることで、低温側運転温度が基本目標運転温度に選択されやすくしている。

この燃料電池システム１によれば、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に優先して設定するので、燃料電池スタック１１Ａの固体高分子電解質膜に対する水分管理が厳しく、水収支の精度が問われるような場合に、図１０に示す運転温度制御処理を行うことで、極力、基本目標運転温度として低温側運転温度範囲が選択されるため、燃料電池スタック１１Ａの運転温度を低下させて、燃料電池システム１の水収支を確実に成立させることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

すなわち上述の燃料電池システム１の燃料電池スタック１１Ａは、高分子電解質型燃料電池として説明をしたが、本発明は、このような燃料電池の種別に限定されるのものではなく、現在、考案、実施されている燃料電池に対して広く適用することができる。

本発明を適用した燃料電池システムの構成について説明するためのブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムが備える燃料電池スタックの電流密度−電圧特性の運転温度依存性を示した図である。 本発明を適用した燃料電池システムが備える燃料電池スタックの水素透過係数の運転温度依存性と、窒素パージ時の水素量の運転温度依存性について示した図である。 本発明を適用した燃料電池システムの総合的な発電効率の運転温度依存性を示した図である。 本発明を適用した燃料電池システムの運転温度制御処理における第１のフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムの運転温度制御処理における第２のフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムの運転温度制御処理における第３のフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムの運転温度制御処理における第４のフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムの別な運転温度制御処理におけるフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムのさらに別の運転温度制御処理におけるフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ ナビゲーションシステム
１１Ａ 燃料電池スタック
１１Ｂ 加湿／回収部
１２ 純水タンク
１３ 純水レベルセンサ
１４ ラジエータ
１５ 三方弁
１６ 冷却液入口温度センサ
１７ 冷却液出口温度センサ
１８ 外気温センサ
１９ コントロールボックス

Claims (14)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて燃料電池で発電を行わせる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の運転温度を検出する運転温度検出手段と、
   前記燃料電池に冷却液を循環させて、前記燃料電池の運転温度を調整する冷却手段と、
   前記燃料電池を運転させる際の目標となる運転温度である基本目標運転温度を、高温側運転温度範囲又は低温側運転温度範囲の何れかに設定し、前記運転温度検出手段で検出される運転温度を、前記基本目標運転温度とするように前記冷却手段を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記基本目標運転温度を前記低温側運転温度範囲に優先して設定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。
3. 前記制御手段は、前記基本目標運転温度を前記高温側運転温度範囲に優先して設定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。
4. 前記制御手段は、前記運転温度検出手段で検出された運転温度が、所定時間以上、前記基本目標運転温度として設定された低温側運転温度制御又は高温側運転温度範囲外となった場合、前記基本目標運転温度を高温側運転温度範囲又は低温側運転温度範囲に切り替え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。
5. 外気温を検出する外気温検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記外気温検出手段により検出した外気温が所定値よりも高い場合には、前記基本目標運転温度を高温側運転温度範囲に変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 外気温を検出する外気温検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記外気温検出手段により検出した外気温が所定値よりも低い場合には、前記基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に変更することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記運転温度検出手段により検出された運転温度が、低温側運転温度範囲に所定値を加算した値を所定時間以上超えた場合には、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲から高温側運転温度範囲に切り替えることを特徴とする請求項２又は請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記運転温度検出手段により検出された運転温度が、高温側運転温度範囲に所定値を減算した値を所定時間以上下回った場合には、基本目標運転温度を高温側運転温度範囲から低温側運転温度範囲に切り替えることを特徴とする請求項３又は請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、前記基本目標運転温度を切り替えた後に、当該切り替えた後の基本目標運転温度として設定された低温側運転温度範囲又は高温側運転温度範囲内に前記運転温度検出手段により検出された運転温度が達しない場合には、当該検出された運転温度に近い方の低温側運転温度範囲又は高温側運転温度範囲を基本目標運転温度に設定することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、前記運転温度検出手段により検出された運転温度が連続的に低下している場合に、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に保持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。
11. 前記燃料電池内を加湿させる加湿用純水を蓄積する純水タンクを有し、
    前記制御手段は、前記純水タンクの水位が所定値を下回った場合に、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に設定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。
12. 車両に搭載された燃料電池システムであって、
    前記車両が今後に走行する道路状況を取得するナビゲーションシステムを更に備え、
    前記制御手段は、前記ナビゲーションシステムから取得した道路状況に基づいて、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に保持できないと判定した場合に基本目標運転温度を高温側運転温度範囲に設定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。
13. 前記制御手段は、前記ナビゲーションシステムから取得した道路状況である道路勾配に基づいて、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に保持できないと判定した場合に基本目標運転温度を高温側運転温度範囲に設定することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記制御手段は、前記ナビゲーションシステムから取得した道路状況である道路高度に基づいて、基本目標運転温度を低温側運転温度範囲に保持できないと判定した場合に基本目標運転温度を高温側運転温度範囲に設定することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
    

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