JP2009016282A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、氷点下起動直後の発電の安定性を確保し得る燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】本発明に関わる燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスが供給されて発電する燃料電池２のスタック２Ｓと、カソードガスの湿度を検出するカソードガス湿度検出手段Ｃ、Ｓt1、Ｓt2と、スタック２Ｓ内の温度を検出する燃料電池スタック温度検出手段Ｓt1、Ｃと、スタック２Ｓの発電起動を氷点下起動にするか否か判定する氷点下起動判定手段Ｃとを有する燃料電池システム１であって、氷点下発電起動を行うと判定された場合にカソードガスの湿度とスタック２Ｓ内の温度に基づいてスタック２Ｓの発電電圧が低下することを予測する電圧低下予測手段Ｃと、発電電圧が低下すると予測された場合に発電電圧低下を防止する制御を行う電圧低下防止制御手段Ｃ、ＷＰ、Ｒ、Ｂ３、Ｕ１、Ｂ１、７、Ｂ２、Ｔとを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、氷点下における発電起動直後の発電の安定性が向上する燃料電池システムに関する。

氷点下の環境下で燃料電池を起動させる際、発電性能が著しく低下する場合がある。これは、先の発電時の燃料ガスの水素と酸素との化学反応の結果生じた生成水が燃料電池の内部で凍結すること等が起因していると考えられる。これに対して、従来の特許文献１には、燃料電池の氷点下起動時の冷媒流量抑制技術が開示されており、特許文献１によれば、低温時の発電性能を確保するため、冷媒の流量および加湿量を低減または停止させて、燃料電池の単セルが積層されたスタックの放熱を抑制することで起動性を確保している。
特開２００５−１１６２５７号公報(段落００４３、００４５、００４７、００５２、図８、図９、図１０、図１３等)

ところで、従来技術では、氷点下起動直後に発電が安定するまで、特に、高電流域での発電を行なったときに燃料電池の発電を担う単セルを積層したスタックの温度上昇が著しく、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜の一方の片面をアノード電極と他方の片面をカソード電極とで挟んだ膜電極構造体に供給されるカソードガスの湿度が適正領域未満に大きく低下してしまい、それにより燃料電池の電圧低下を招来している。

図９は、氷点下で燃料電池を起動した場合の経過時間Ｔに対する燃料電池の出力電流(以下、ＦＣ電流と称す)、燃料電池の出力電圧(以下、ＦＣ電圧と称す)、燃料電池を構成するセルの温度ｔ１、燃料電池のカソード電極入り口の酸化剤ガスのカソードガス温度ｔ２との関係を表した図であり、横軸に経過時間をとり、縦軸にＦＣ電圧、ＦＣ電流、セルの温度ｔ１、およびカソード電極入り口のカソードガス、すなわち空気温度ｔ２をとっている。
図９に示すように、時刻Ｔ２においてＦＣ電圧がＶ１まで上昇した後、時刻Ｔ３近傍において、ＦＣ電圧がＶ２まで下降する現象が観察される。
本発明は上記実状に鑑み、氷点下起動直後の発電の安定性を確保し得る燃料電池システムの提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の請求項１に関わる燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスが供給されて発電する燃料電池のスタックと、カソードガスの湿度を検出するカソードガス湿度検出手段と、燃料電池のスタック内の温度を検出する燃料電池スタック温度検出手段と、燃料電池のスタックの発電起動を氷点下起動にするか否か判定する氷点下起動判定手段とを有する燃料電池システムであって、氷点下起動判定手段により氷点下発電起動を行うと判定された場合に、カソードガスの湿度とスタック内の温度に基づいてスタックの発電電圧が低下することを予測する電圧低下予測手段と、発電電圧が低下すると予測された場合に発電電圧低下を防止する制御を行う電圧低下防止制御手段とを有している。

本発明の請求項２に関わる燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、スタックの発電が安定したか否かを判定する発電安定性判定手段をさらに有し、
発電安定性判断手段により燃料電池の発電が安定したと判定された場合は、電圧低下防止制御手段による発電電圧低下を防止する制御を終了している。

本発明の請求項３に関わる燃料電池システムは、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、カソードガスを加湿する主加湿装置と、該主加湿装置による加湿を補助する副加湿装置とをさらに有し、電圧低下防止制御手段は、電圧低下予測手段によってスタックの発電電圧が低下すると予測される場合、副加湿装置によりカソードガスの湿度を上昇させている。

本発明の請求項４に関わる燃料電池システムは、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、スタック内の温度とカソードガスの温度との温度差を低減させる温度差低減制御手段をさらに有し、電圧低下防止制御手段は、電圧低下予測手段によってスタックの電圧が低下すると予測される場合、温度差低減制御手段によりスタック内の温度とカソードガスの温度との温度差を低減させている。

本発明の請求項１に関わる燃料電池システムは、カソードガスの湿度と燃料電池のスタック内の温度に基づいて燃料電池の電圧が低下することを予測するため、カソードガスの湿度不足や燃料電池のスタックの冷却不足による発電電圧低下が発生する前に電圧低下防止制御を行うことが可能であり、発電電圧の低下を防止して発電性能の向上を図れる。

本発明の請求項２に関わる燃料電池システムは、発電性能が安定するとカソードガスの温度とスタック内の温度の差が縮まるため、スタック内の湿度不足が収まることから、発電性能が安定するまで発電電圧低下を防止する制御を継続する。従って、電圧低下を起こすことなく通常運転に移行することが可能となる。

本発明の請求項３に関わる燃料電池システムは、副加湿装置によって主加湿装置による加湿を補助することにより、カソードガスの温度とスタック内の温度の差による加湿不足を防ぐことができ、電圧低下を防止することが可能となる。また、副加湿装置を有することにより、主加湿装置の大型化を招来することなく、燃料電池システムの小型化が可能である。

本発明の請求項４に関わる燃料電池システムは、カソードガスの温度とスタック内の温度との差を低減させるため、該温度差による発電時の加湿不足を防ぎ、電圧低下を防止できる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜実施形態の燃料電池システム１の構成＞＞
図１は、本発明を適用した燃料電池システム１の燃料電池２と燃料電池２に接続される配管内の水素、空気、および燃料電池２への冷媒の流れを矢印で表した概念的構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、車両(図示せず)に搭載されたものであり、燃料電池２のアノード電極２ｂに燃料ガスの水素が供給されるとともにカソード電極２ｃに酸化剤ガスの空気中の酸素が供給され、水素と酸素との電気化学反応が進行し走行モータ等の負荷(図示せず)へと電流が取り出されている。なお、供給された水素及び酸素は、燃料電池２から電流が取り出されることに用いられない場合、消費されることなく、そのまま燃料電池２から排水素、排空気として排出される。

なお、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池２から排出された水素を、該水素内の水蒸気を凝縮し貯留するキャッチタンクＣＴ等を有する循環流路Ｊ１を通して燃料電池２直前の水素供給路の配管Ｈ１に送った後、エゼクタ３を介して循環させ再使用している。
この燃料電池２は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜２ａの一方の片面を触媒を含んでなるアノード電極２ｂと他方の片面を触媒を含んでなるカソード電極２ｃとで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下、ＭＥＡと称す）の両面を導電性のセパレータ(図示せず)で挟んだセルが、多数、例えば、２００枚直列に積層されたスタック２Ｓの構造に形成されている。前記セパレータには水素の通路、空気の通路、冷却水の通路が形成されており、供給される空気、水素、および冷却水循環装置(図示せず)から供給される水が、それぞれ混合しないように通流されている。

前記カソード電極２ｃに供給される空気は、エアーポンプ４を供給源として、空気供給路の空気供給用配管Ｏ１、Ｏ２を通して、エアーポンプ４で加圧され高温になった空気を冷却するインタークーラ５、供給される空気を発電に適した湿度に加湿する加湿器６、必要に応じ霧状の水を噴霧して補助的な加湿を行う加湿インジェクター７を介し、カソード電極２ｃに供給されている。このカソード電極２ｃに供給された空気のうち発電に使用されなかった空気は、配管Ｏ３を通して排出され、加湿器６で水分交換により水分を除去された後、燃料電池２内の空気圧を所定圧に保つ背圧弁８等を介して、車外へ排出されている。
また、インタークーラ５に接続される配管Ｏ１には、インタークーラ５を迂回する迂回用配管Ｕ１が配設され、この迂回用配管Ｕ１には、遮断弁Ｂ１が設けられている。

また、空気供給用配管Ｏ２に配設される加湿インジェクター７には遮断弁Ｂ２を介して水分の供給源となるタンクＴが接続されており、このタンクＴ内には燃料電池２の発電に伴う生成水等が貯留されている。なお、タンクは、断熱構造等でタンクＴ内の水が凍結しないように構成されており、発電に伴う生成水以外の水を用いることも可能である。また、遮断弁Ｂ２は、無通電状態で閉弁しており、加湿インジェクター７で加湿する場合に通電され開弁し、加湿インジェクター７に加湿用の水を供給する。
空気供給用配管Ｏ１、Ｏ２に接続される加湿器６は、中空糸を用いて構成される主加湿装置であり、加湿インジェクター７は、必要に応じて使用する副加湿装置とされている。
加湿インジェクター７は、燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される空気の湿度が足りない場合に、適宜、使用されるものであり、加湿時には遮断弁Ｂ２が開弁され、タンクＴに貯留され圧力を加えられた水を、ガス状に噴霧し該空気を加湿する。

前記の如く、主加湿装置である加湿器６を、中空糸膜加湿装置としたことにより、通常運転中は、主加湿装置の加湿器６を用いることで複雑な加湿制御を必要とせず、また加湿不足が起きている場合には副加湿装置である加湿器６に比べ小型の加湿インジェクター７によりアシストできるため、燃料電池システム１全体の小型化が図られている。
また、発電によって高温になった燃料電池２を冷却するために、燃料電池２内に冷媒を通流するための冷却流路の配管Ｒが配設されており、この配管Ｒには、冷媒を送るための駆動源のウォータポンプＷＰと、燃料電池２内を通流して加熱された冷媒を冷却するためのラジエター９が配設されている。そして、ラジエター９に接続される配管Ｒ１には、冷媒の温度が所定温度になると開弁し燃料電池２で加熱された冷媒をラジエター９に流すサーモ弁Ｂ３が配設されている。なお、サーモ弁Ｂ３は、冷媒の温度が上昇するにつれ、ラジエター９へ流す冷媒の量を増加させる一般的なサーモスタット弁であるが、電子制御された弁でもよい。

さらに、燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される空気の温度を測定するため、温度センサＳt2が空気供給路の空気供給用配管Ｏ2に配設されるとともに、燃料電池２内のセルの温度ｔ１を測定する温度センサＳt1が、燃料電池２内に設けられている。
前記構成の燃料電池システム１は、制御装置Ｃによって統括的に制御されており、制御装置Ｃ内のＲＯＭ(READ ONLY MEMORY)等の記憶装置に記憶した制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１の制御が行われている。
この制御装置Ｃには、温度センサＳt1、Ｓt2の温度測定値等を入力データとする温度、湿度監視部と、タンクＴと加湿インジェクター７間の遮断弁Ｂ２、加湿インジェクター７を稼動制御する加湿アシストデバイス制御部と、ウォータポンプＷＰを駆動制御する冷媒流量制御部と、燃料電池２の発電電圧、発電電流等を検出する発電性能検出部等が、アナログ−デジタル変換回路等の各種回路、および制御プログラムなどにより構成されている。

＜＜燃料電池システム１の氷点下起動発電安定制御＞＞
次に、燃料電池システム１の氷点下起動発電安定制御について、該制御フローを図示した図２、および図１を用いて説明する。なお、この制御は、制御装置Ｃの記憶装置に格納される制御プログラムを実行し、燃料電池システム１の構成機器から制御装置Ｃに信号が入力されるとともに、制御装置Ｃから該機器に制御信号等を出力することにより行われる。
まず、図２のＳ１において、イグニッションオンしたことが検知されると、図２のＳ２において、氷点下起動を行うか否か判断される。例えば、カソード電極２ｃ近傍の温度センサＳt2の測定温度が０℃以下か否か判断される。
なお、氷点下起動を行うか否かの判断は、種々の条件を勘案して任意に設定することが可能である。

氷点下起動を行わない場合、例えば、カソード電極２ｃ近傍の温度センサＳt2の測定温度が０℃より高い場合 (図２のＳ２でＮｏ)、図２のＳ３において、図１に示すウォータポンプＷＰを駆動制御して燃料電池２内に冷媒を、冷却流路の配管Ｒを通して多く流すなどの通常起動制御が行われ、その後、後記の図２のＳ１２に移行する。
一方、図２のＳ２において、氷点下起動を行うと判断された場合、例えば、カソード電極２ｃ近傍の温度センサＳt2の測定温度が０℃以下の場合(図２のＳ２でＹes)、図２のＳ４において、暖機を促進するために、燃料電池２のアノード電極２ｂに水素を多く供給するとともに、エアーポンプ４の回転速度を速くするように制御し燃料電池２のカソード電極２ｃへ空気中の酸素を多く供給する氷点下独自の氷点下起動制御が行われる。

続いて、図２のＳ５において、燃料電池２のセルの温度ｔ１を温度センサＳt1により取得する。続いて、図２のＳ６において、燃料電池２のカソード電極２ｃに供給されるカソードガスの酸素を含む空気の湿度を、カソード電極２ｃ近傍の配管に設置した湿度センサ(図示せず)によって取得する。
或いは、予め、実験的にカソード電極２ｃ近傍のガス温度等に対するカソードガスの湿度のマップを作成し、該マップを制御装置Ｃ内のＲＯＭ等の記憶装置に記憶しておき、温度センサＳt2で取得したカソードガス温度、温度センサＳt1の測定値等から該マップを参照して、カソード電極２ｃに供給されるカソードガス(酸素を含む空気)の湿度を検出する。

続いて、図２のＳ７において、図２のＳ５で得た燃料電池２のセルの温度ｔ１と、図２のＳ６で得たカソード電極２ｃに供給される酸素を含む空気のカソードガス湿度から、燃料電池２の発電電圧低下を予測する。この発電電圧低下の予測は、下記のように行われる。
例えば、予め、実験的に燃料電池２のセルの温度とカソード電極２ｃに供給される空気のカソードガス湿度とに対する燃料電池２の発電電圧低下の予測データを取得し、該予測データのマップを制御装置Ｃ内のＲＯＭ等の記憶装置に記憶しておく。そして、図２のＳ５で得た燃料電池２の温度と、図２のＳ６で得たカソード電極２ｃに供給される空気のカソードガス湿度から、該マップを参照して燃料電池２の発電電圧低下を予測する。なお、マップはテーブルや関数などでもよい。

続いて、図２のＳ８において、燃料電池２の発電電圧低下が予測されたか否かが判断される。
燃料電池２の発電電圧低下が予測されない場合(図２のＳ８でＮｏ)、図２のＳ１０において、ウォータポンプＷＰを低回転制御し燃料電池２への冷媒量を絞る等の氷点下の通常の起動制御が行われる。その後、後記の図２のＳ１１に移行する。
一方、図２のＳ８において、燃料電池２の発電電圧低下が予測される場合(図２のＳ８でＹes)、図２のＳ９において、電圧低下防止制御が行われる。

＜＜電圧低下防止制御＞＞
図３は、燃料電池２のセル温度ｔ１に対する燃料電池２の発電に適したカソード電極２ｃに供給されるカソードガス(空気)の湿度との関係を表した図であり、横軸に燃料電池２のセル温度ｔ１をとり、縦軸にカソードガス(空気)の湿度をとっている。
図３に示す線ｈより下方の領域が湿度不足のために、電圧低下が予測される領域である。
燃料電池２の氷点下発電起動における電圧低下を考慮するに、氷点下環境において燃料電池２が氷点下に冷却された状態から起動し発電を行った場合、発電に伴う自己発熱で燃料電池２のＭＥＡの温度上昇に比べて、燃料電池２のカソード電極２ｃヘ供給する空気の温度ｔ１が低く、該空気の湿度が発電に適した湿度より低い場合に電圧低下が起こると考えられる。

そこで、電圧低下防止制御としては、カソード電極２ｃに供給する空気を加湿し発電に適した湿度にする制御がある。或いは、図９に示すように、時刻Ｔ0〜時刻Ｔ3間において、カソード電極２ｃ入り口のカソードガス、すなわち空気温度ｔ２が燃料電池２の発電に伴う燃料電池２の自己発熱によるセルの温度ｔ１の上昇に乖離して低いことが明かである。この両者の温度の乖離現象が、燃料電池２の氷点下起動の電圧低下に影響していると推測されるため、燃料電池２のスタック２Ｓ自体を冷却して燃料電池２のセルの温度ｔ１を低下させ、カソード電極入り口のカソードガス(空気)温度ｔ２に近づけるなど、後記の第１から第４の電圧低下防止制御Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがある。

図４(ａ)は、電圧低下防止制御Ａの制御フローを示す図である。
図４(ａ)に示す第１の電圧低下防止制御Ａは、カソード電極２ｃに供給される空気に加湿インジェクター７によってタンクＴ内の水を噴霧し加湿量を増量し、該空気を発電に適した湿度にする制御である。図４(ａ)のＳ９a1において、カソード電極２ｃ入り口のカソードガス、すなわち空気の湿度不足量を算出する。例えば、予め、氷点下発電時の種々の条件における最適湿度を実験的に求め、マップとして制御装置Ｃの記憶装置に格納しておく。
そして、カソード電極２ｃ入り口の空気供給用の配管Ｏ2(図１参照)に配設した湿度センサ(図示せず)により氷点下発電時の湿度データを取得するとともに、温度センサＳt1によって燃料電池２内の温度ｔ１を取得し、記憶装置に格納されたマップを参照して、測定した条件下におけるカソード電極２ｃに供給する空気の湿度不足量を算出する。或いは、湿度センサを用いることなく、温度センサＳt1によって燃料電池２内の温度ｔ１を取得するとともに、温度センサＳt2によってカソード電極２ｃに供給する空気の温度を取得して、記憶装置に格納されたマップを参照して、測定した温度条件におけるカソード電極２ｃに供給する空気の湿度不足量を算出する。

続いて、図４(ａ)のＳ９a2において、図１に示すように、空気供給用配管Ｏ2を通して燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される空気に、Ｓ９a1にて求めた湿度不足量の水分を加湿インジェクター７を用いてタンクＴ内の水を噴霧し加える。以上が、電圧低下防止制御Ａである。
図５は、氷点下で低温起動した際に第１の電圧低下防止制御Ａを行った場合の経過時間Ｔに対する燃料電池２の出力電流(以下、ＦＣ電流と称す)、燃料電池２の出力電圧(以下、ＦＣ電圧と称す)、燃料電池２を構成するセルの温度ｔ１、および燃料電池２の酸化剤ガスの酸素が供給されるカソード電極２ｃ入り口のガス(空気)温度ｔ２の関係を表した図である。なお、横軸に経過時間をとり、縦軸にＦＣ電圧、ＦＣ電流、セルの温度ｔ１、およびカソード電極２ｃ入り口のカソードガス、すなわち空気温度ｔ２をとっている。

図５によれば、第１の電圧低下防止制御Ａを行わない場合には、ＦＣ電圧が、時刻Ｔ３近傍で二点鎖線で表されるように大きく電圧低下するが(図９中の従来のＦＣ電圧を示す実線)、第１の電圧低下防止制御Ａを行うことにより、時刻Ｔ1から時刻Ｔ4間でＦＣ電圧が実線で表されるように安定化する。
前記電圧低下防止制御Ａを、図２のＳ９で行った後、図２のＳ１１に移行する。

次に、第２の電圧低下防止制御Ｂについて説明する。
図４(ｂ)は、電圧低下防止制御Ｂの制御フローを示す図である。また、図６は、氷点下で低温起動した際に第２の電圧低下防止制御Ｂを行った場合の経過時間Ｔに対する燃料電池２の出力電流(以下、ＦＣ電流と称す)、燃料電池２の出力電圧(以下、ＦＣ電圧と称す)、燃料電池２を構成するセルの温度ｔ１、および燃料電池２の酸化剤ガスの酸素が供給されるカソード電極入り口のガス(空気)温度ｔ２の関係を表した図である。なお、横軸に経過時間をとり、縦軸にＦＣ電圧、ＦＣ電流、セルの温度ｔ１、およびカソード電極２ｃ入り口のカソードガス、すなわち空気温度ｔ２をとっている。

図４(ｂ)に示す第２の電圧低下防止制御Ｂは、図６に示すように、氷点下の発電起動において、時刻Ｔ0〜Ｔ３間で燃料電池２のＭＥＡを冷却し、セルの温度ｔ１を実線ｔ11で示す温度にして、カソード電極入り口のカソードガス(空気)の温度ｔ２に近づける制御である。なお、二点鎖線ｔ10は、電圧低下防止制御Ｂを行わない場合のセルの温度ｔ１を示している。
図４(ｂ)のＳ９b1において、温度センサＳt1によって燃料電池２内のセルの温度ｔ１を取得する。或いは、温度センサＳt2によって燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される空気の温度ｔ２を測定し、燃料電池２内のセルの温度ｔ１を推測する。そして、燃料電池２内のセルの温度ｔ１を図６に示す実線のように、カソードガスの空気の温度ｔ2に近づける冷却量(この冷却量を冷却不足量とする)、すなわち、時刻Ｔ0からＴ3間において図６に示す燃料電池２内のセルの温度ｔ１を二点鎖線ｔ１0から実線ｔ11に低下させる冷却不足量を算出する。

続いて、図４(ｂ)のＳ９b2において、図１に示すウォータポンプＷＰの回転速度を上昇させ冷媒量を増加させ冷却流路の配管Ｒを通して燃料電池２のＭＥＡに送り、Ｓ９b1で求めた冷却不足量を燃料電池２に与えて冷却し、図６に示すセルの温度ｔ１を二点鎖線ｔ１0から実線ｔ11に低下させる。以上が、電圧低下防止制御Ｂである。
図６によれば、電圧低下防止制御Ｂを行い燃料電池２のＭＥＡを冷却し燃料電池２のセルの温度ｔ１を二点鎖線ｔ１0から実線ｔ11に低下させ、燃料電池２のセルの温度ｔ１とカソードガス温度ｔ２との温度差を低減させることにより、ＦＣ電圧が時刻Ｔ1から時刻Ｔ4間で実線で表されるように安定化する。
前記電圧低下防止制御Ｂを、図２のＳ９で行った後、図２のＳ１１に移行する。

次に、第３の電圧低下防止制御Ｃについて説明する。
図４(ｃ)は、電圧低下防止制御Ｃの制御フローを示す図である。
図４(c)に示す第３の電圧低下防止制御Ｃは、前記の電圧低下防止制御Ａと電圧低下防止制御Ｂとを組み合わせて行う電圧低下防止制御である。
図４(ｃ)のＳ９c1において、カソード電極２ｃ入り口のカソードガス、すなわち空気の湿度不足量の算出が行われる。この算出は、前記の図４(ａ)のＳ９a1と同様であるため説明は省略するが、本制御においては、電圧低下防止制御Ｂ(図４(ｂ)参照)を組み合わせた制御であるため、電圧低下防止制御Ｂとの兼ね合いで、湿度不足量を算出する。例えば、求める湿度不足量の電圧低下防止制御Ｃにおける寄与率を１／２とする、或いは、１／３とする場合等がある。

続いて、図４(ｃ)のＳ９c2において、燃料電池２内のセルの温度ｔ１を低下させる冷却不足量算出が行われる。この算出は、前記の図４(ｂ)のＳ９b1と同様であるため説明は省略するが、本制御においては、電圧低下防止制御Ａ(図４(ａ)参照)を組み合わせた制御であるため、電圧低下防止制御Ａとの兼ね合いで、冷却不足量を算出する。例えば、求める冷却不足量の電圧低下防止制御Ｃにおける寄与率を１／２とする、或いは、２／３とする場合等がある。なお、電圧低下防止制御Ｃにおける電圧低下防止制御Ａと電圧低下防止制御Ｂとのそれぞれの寄与率は、例えば、エネルギー消費が最小、すなわち、燃費が最小になるように決定することができる。

続いて、図４(ｃ)のＳ９c3において、Ｓ９c1で求めた湿度不足量に基づいて、図４(ａ)のＳ９a2と同様な加湿アシスト実行が行われる。この加湿アシスト実行は、前記の図４(ａ)のＳ９a2と同様であるので、詳細な説明は省略する。
また、加湿アシストと同時に、Ｓ９c2で求めた冷却不足量に基づいて、図４(ｂ)のＳ９b2と同様なウォータポンプＷＰの回転数の上昇制御が行われる。このウォータポンプＷＰの回転数の上昇実行制御は、前記の図４(ａ)のＳ９b2と同様であるので、詳細な説明は省略する。以上が、電圧低下防止制御Ｃである。

図７は、氷点下で低温起動した際に第３の電圧低下防止制御Ｃ、すなわち、電圧低下防止制御Ａと電圧低下防止制御Ｂとを組み合わせて行う電圧低下防止制御を行った場合の経過時間Ｔに対する燃料電池２の出力電流(以下、ＦＣ電流と称す)、燃料電池２の出力電圧(以下、ＦＣ電圧と称す)、燃料電池２を構成するセルの温度ｔ１、および燃料電池の酸化剤ガスの酸素が供給されるカソード電極２ｃ入り口のガス(空気)温度ｔ２の関係を表した図である。なお、同図は、横軸に経過時間をとり、縦軸にＦＣ電圧、ＦＣ電流、セルの温度ｔ１、およびカソード電極２ｃ入り口のカソードガス(空気)温度ｔ２をとっている。

図７によれば、図４(ｃ)のＳ９c3において、カソード電極２ｃ入り口に供給されるカソードガス、すなわち空気に加湿インジェクター７によってタンク内の水を噴霧し加湿量を増量するとともに、ウォータポンプＷＰの回転速度を上昇させ冷媒量を増加させ燃料電池２を冷却するので、図７の時刻Ｔ0と時刻Ｔ３間で燃料電池のセルの温度ｔ１が、前記加湿量を増量する制御との兼ね合いで若干、低下している。そして、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ４間でＦＣ電圧が低下することなく、安定化している。
前記電圧低下防止制御Ｃを、図２のＳ９で行った後、図２のＳ１１に移行する。

次に、第４の電圧低下防止制御Ｄについて説明する。
図８は、氷点下で低温発電起動した際に電圧低下防止制御Ｄを行った場合の経過時間Ｔに対する燃料電池２の出力電流(以下、ＦＣ電流と称す)、燃料電池２の出力電圧(以下、ＦＣ電圧と称す)、燃料電池２を構成するセルの温度ｔ１、および燃料電池２の酸化剤ガスの酸素を含む空気が供給されるカソード電極２ｃ入り口温度ｔ２の関係を表した図である。なお、横軸に経過時間をとり、縦軸にＦＣ電圧、ＦＣ電流、セルの温度ｔ１、およびカソード電極２ｃ入り口のカソードガス(空気)温度ｔ２をとっている。
第４の電圧低下防止制御Ｄは、図８に示すように、時刻Ｔ0〜時刻Ｔ3間でカソード電極２ｃに供給されるカソードガス、すなわち空気の温度ｔ2を上昇させて、燃料電池２内のセルの温度ｔ１に近づけ電圧低下を防止するものである。

第４の電圧低下防止制御Ｄは、図１に示すように、インタークーラ５を迂回する迂回用配管Ｕ１の遮断弁Ｂ１を開弁して、エアーポンプ４から送られる空気を、空気供給用配管Ｏ１から熱交換器のインタークーラ５を迂回させて燃料電池のカソード電極２ｃに供給し、酸化剤ガスの酸素を含む空気をインタークーラ５で冷却することなくカソード電極２ｃに供給し、カソードガス温度ｔ２の上昇を図る制御である。この電圧低下防止制御Ｄは、電圧低下防止制御Ｃと組み合わせる構成とすることも可能である。

カソード電極２ｃに供給する空気を、インタークーラ５で冷却することなく供給するので、図８に示すように、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ３間で、カソード電極２ｃに供給する空気の温度ｔ2が、実線ｔ21で表わすように、高くなり、その結果、ＦＣ電圧は、時刻Ｔ３で低下することなく、安定化されている。なお、図８中の二点鎖線ｔ20は、迂回用配管Ｕ１の遮断弁Ｂ１を閉弁してインタークーラ５を通して空気を供給した場合のカソード電極２ｃの空気の温度ｔ2を示している。
前記電圧低下防止制御Ｄを、図２のＳ９で行った後、図２のＳ１１に移行する。以上が、電圧低下防止制御Ａ〜Ｄである。＜＜電圧低下防止制御の終了＞＞

前記した図２のＳ９における電圧低下防止制御の後、図２のＳ１１において、燃料電池２の発電電圧が安定したか否か判断される。燃料電池２の発電電圧が安定しない場合(図２のＳ１１でＮo)、図２のＳ５に移行する。
一方、燃料電池２の発電電圧が安定した場合(図２のＳ１１でＹes)、図２のＳ１２に移行して、通常発電が行われる。
続いて、図２のＳ１３において、イグニッションオフされたか否か、判断される。イグニッションオフされない場合(図２のＳ１３でＮo)、図２のＳ１２に移行する。一方、イグニッションオフされた場合(図２のＳ１３でＹes)、制御を終了する。
以上が、図２に示す氷点下起動発電安定制御である。

前記構成によれば、燃料電池２を氷点下で発電するに際して、燃料電池２のカソード電極２ｃに供給されるカソードガスの湿度、すなわち空気の湿度と燃料電池２内の温度等に基づいて燃料電池２の電圧が低下することを予測するため、カソードガス(空気)の湿度不足や燃料電池２の冷却不足による電圧低下が発生する前に電圧低下防止制御を行うことが可能であり、発電電圧の低下による発電性能の低下を防止できる。
なお、前記実施例においては、車両に搭載した燃料電池システム１を例示して説明したが、本発明は、車両等の移動機械以外に家庭用機器、事業用機器等に用いられる燃料電池システム、および定置式の燃料電池システム等に広汎に適用可能である。

本発明に関わる実施例の燃料電池システムにおける燃料電池と燃料電池に接続される配管内の水素、空気、および燃料電池への冷媒の流れを矢印で表した概念的構成図である。 実施例の燃料電池システムの氷点下起動発電安定制御フローを示す図である。 実施例の燃料電池のセル温度に対する燃料電池の発電に適したカソード電極に供給されるカソードガス(空気)の湿度との関係を表した図である。 (ａ)図は電圧低下防止制御Ａの制御フローを示す図であり、(ｂ)図は電圧低下防止制御Ｂの制御フローを示す図であり、および(ｃ)図は電圧低下防止制御Ｃの制御フローを示す図である。 氷点下で燃料電池を低温起動した際に第１の電圧低下防止制御Ａを行った場合の経過時間に対する燃料電池の出力電流、燃料電池の出力電圧、燃料電池を構成するセルの温度、および燃料電池の酸化剤ガスの酸素が供給されるカソード電極入り口の温度の関係を表した図である。 氷点下で燃料電池を低温起動した際に第２の電圧低下防止制御Ｂを行った場合の経過時間に対する燃料電池の出力電流、燃料電池の出力電圧、燃料電池を構成するセルの温度、および燃料電池の酸化剤ガスの酸素が供給されるカソード電極入り口のガス温度の関係を表した図である。 氷点下で燃料電池を低温起動した際に第３の電圧低下防止制御Ｃを行った場合の経過時間に対する燃料電池の出力電流、燃料電池の出力電圧、燃料電池を構成するセルの温度、および燃料電池の酸化剤ガスの酸素が供給されるカソード電極入り口のガス温度の関係を表した図である。 氷点下で燃料電池を低温起動した際に第４の電圧低下防止制御Ｄを行った場合の経過時間に対する燃料電池の出力電流、燃料電池の出力電圧、燃料電池を構成するセルの温度、および燃料電池の酸化剤ガスの酸素が供給されるカソード電極入り口のガス温度の関係を表した図である。 従来の氷点下で燃料電池を低温起動した場合の経過時間に対する燃料電池の出力電流、燃料電池の出力電圧、燃料電池を構成するセルの温度、燃料電池のカソード電極入り口のガス温度との関係を表した図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池
２Ｓ…スタック
６…加湿器(主加湿装置)
７…加湿インジェクター(電圧低下防止制御手段、副加湿装置)
Ｂ１…遮断弁(電圧低下防止制御手段、温度差低減制御手段)
Ｂ２…遮断弁(電圧低下防止制御手段、副加湿装置)
Ｂ３…サーモ弁(電圧低下防止制御手段、温度差低減制御手段)
Ｃ…制御装置(カソードガス湿度検出手段、燃料電池スタック温度検出手段、氷点下起動判定手段、電圧低下予測手段、電圧低下防止制御手段、発電安定性判定手段、温度差低減制御手段)
Ｒ…配管(電圧低下防止制御手段、温度差低減制御手段)
Ｓt1…温度センサ(カソードガス湿度検出手段、燃料電池スタック温度検出手段)
Ｓt2…温度センサ(カソードガス湿度検出手段)
Ｔ…タンク(電圧低下防止制御手段、副加湿装置)
Ｕ１…迂回用配管(電圧低下防止制御手段、温度差低減制御手段)
ＷＰ…ウォータポンプ(電圧低下防止制御手段、温度差低減制御手段)

Claims (4)

1. アノードガスとカソードガスが供給されて発電する燃料電池のスタックと、前記カソードガスの湿度を検出するカソードガス湿度検出手段と、前記燃料電池のスタック内の温度を検出する燃料電池スタック温度検出手段と、前記燃料電池のスタックの発電起動を氷点下起動にするか否か判定する氷点下起動判定手段とを有する燃料電池システムであって、
   前記氷点下起動判定手段により氷点下発電起動を行うと判定された場合に、前記カソードガスの湿度と前記スタック内の温度に基づいて前記スタックの発電電圧が低下することを予測する電圧低下予測手段と、
   前記発電電圧が低下すると予測された場合に発電電圧低下を防止する制御を行う電圧低下防止制御手段とを
   有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記スタックの発電が安定したか否かを判定する発電安定性判定手段をさらに有し、
   前記発電安定性判断手段により前記燃料電池の発電が安定したと判定された場合は、前記電圧低下防止制御手段による発電電圧低下を防止する制御を終了する
   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. 前記カソードガスを加湿する主加湿装置と、該主加湿装置による加湿を補助する副加湿装置とをさらに有し、
   前記電圧低下防止制御手段は、前記電圧低下予測手段によって前記スタックの発電電圧が低下すると予測される場合、前記副加湿装置により前記カソードガスの湿度を上昇させる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記スタック内の温度と前記カソードガスの温度との温度差を低減させる温度差低減制御手段をさらに有し、
   前記電圧低下防止制御手段は、前記電圧低下予測手段によって前記スタックの電圧が低下すると予測される場合、前記温度差低減制御手段により前記スタック内の温度と前記カソードガスの温度との温度差を低減させる
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載の燃料電池システム。

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