JP2009087574A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に供給されるガスの温度を管理することにより、発電性能の低下を抑制する。
【解決手段】燃料電池スタック１は、一次供給水素と循環ガスとを含む混合ガスと、燃料電池スタックの温度を制御する冷却水との間で熱交換を行う熱交換部４を有している。システム制御装置４０は、一次供給水素と循環ガスとの合流部へ流入する一次供給水素の温度（タンク温度）Ｔtinに基づいて温度調整手段を制御することにより、合流部において合流して燃料電池スタック１に供給される混合供給水素の温度が管理温度範囲に収まるように、冷却水の温度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。

例えば、特許文献１には、燃料電池の温度制御に関する手法が開示されている。具体的には、この手法では、燃料電池の酸化剤極を通過した排ガスの一部を、酸化剤極に一次的に供給される空気に合流させて循環させている。この場合、酸化剤極の入口におけるガスの温度が所定範囲になるように、酸化剤極から排出されて循環する循環ガスの流量が制御され、かつ、酸化剤極出口における排ガスの温度が所定範囲になるように一次的に供給される空気の流量が制御される。

また、特許文献２には、燃費向上の観点から、燃料極から排出される未反応の燃料ガスを、燃料極に一次的に供給される燃料ガスに合流させ、循環させる構成の燃料電池システムが開示されている。
特開平７−１６１３７１号公報 特開２００７−１８４１９６号公報

しかしながら、燃料電池に供給されるガスの温度が、環境に応じて変化することがあり、これが燃料電池の特性に応じた管理温度範囲から外れてしまう場合には、燃料電池の発電性能が低下する虞がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池に供給されるガスの温度を管理することにより、発電性能の低下を抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池に、反応ガス供給手段から反応ガスが供給されるとともに、燃料電池から排出されるガスが、反応ガス供給手段からの反応ガスに合流させられて、燃料電池に循環させられている。また、温度調整手段によって、燃料電池との間で熱媒体を循環させるとともに、熱媒体の温度を調整することにより、燃料電池の温度が制御される。この燃料電池は、反応ガスと循環ガスとを含む混合ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換手段を有している。そして、制御手段は、反応ガスと循環ガスとの合流部へ流入する反応ガスの温度（供給ガス温度）に基づいて温度調整手段を制御することにより、合流部において合流して燃料電池に供給される混合ガスの温度が管理温度範囲に収まるように、熱媒体の温度を調整する。

本発明によれば、熱媒体の温度を制御し、燃料電池内で熱媒体と反応ガスとを熱交換させることで、循環ガスを調温し、その後、循環ガスと反応ガスとを合流させることで、管理温度範囲に収まるように、混合ガスを加熱あるいは冷却することができる。これにより、燃料電池に供給されるガスの温度を管理することができ、発電性能の低下を抑制することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極２と酸化剤極３とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、個々の燃料極２に燃料ガスが供給されるとともに、個々の酸化剤極３に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。

燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。本実施形態では、燃料タンク１０および水素調圧バルブ１１により、反応ガス（水素）を燃料電池スタック１に供給する反応ガス供給手段が構成される。

燃料極２からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されており、水素循環流路Ｌ２には、例えば、循環ポンプ１２といったガス循環手段が設けられている。この循環ポンプ１２を駆動することにより、燃料極２からの排出ガスが、水素循環流路Ｌ２を通り水素供給流路Ｌ１に循環される。換言すれば、循環ポンプ１２により、水素循環流路Ｌ２を流れる循環ガス（すなわち、燃料極２からの排出ガス）が、燃料タンク１０から供給される反応ガスに合流させることにより、燃料電池スタック１に循環させられる。なお、本明細書では、必要に応じて、燃料タンク１０から供給される水素を一次供給水素といい、循環ガスと一次供給水素とが合流する合流部を介して合流した一次供給水素と循環ガスとを混合供給水素という。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極３から燃料極２に透過するため、燃料極２を含む水素循環流路Ｌ２内での不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下したりする。そのため、燃料極２を含む水素循環流路Ｌ２内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ（パージ手段）１３が設けられており、このパージバルブ１３の開き量を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される窒素量を調整することができる。これにより、燃料極２および水素循環流路Ｌ２内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれるとともに加圧され、加圧された空気は、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ４には、アフタークーラー２１、加湿装置２２が設けられており、コンプレッサ２０から供給される空気は、燃料電池スタック１の反応において適した温度まで冷却され、また、加湿される。酸化剤極３からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５は、上述した加湿装置２２を経由して配設されており、これにより、加湿装置２２において、酸化剤極３からの排出ガスと、コンプレッサ２０から空気との間で水分の交換が行われことにより、コンプレッサ２０からの空気に対して加湿が行われる。また、空気排出流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ２１が設けられている。また、空気排出流路Ｌ５には、上述したパージ流路Ｌ３の端部が接続されており、パージ流路Ｌ３を介して排出される循環ガス中の水素は、酸化剤極３からの排出ガスによって希釈された上で、外部に放出される。

冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水（熱媒体）が循環する閉ループ状の冷却流路Ｌ６を有しており、この冷却流路Ｌ６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、冷却流路Ｌ６内の冷却水が循環する。また、冷却流路Ｌ６には、ラジエータ３１と、このラジエータ３１を送風するファン３２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、冷却流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３１に流れ、ラジエータ３１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。ここで、冷却水循環ポンプ３０、ラジエータ３１およびファン３２は温度調整手段として機能しており、この温度調節手段によって、燃料電池スタック１との間で冷却水が循環されるとともに、この冷却水の温度が調整されることにより、燃料電池スタックの温度が制御される。

また、本実施形態の燃料電池スタック１は、熱交換部４を備える構成となっており、この熱交換部４により、燃料極２へ供給される混合供給水素と、スタック冷却用の冷却水との間で熱交換が行えるようになっている。具体的には、熱交換部４は、燃料電池スタック１における水素の出口側と燃料電池スタック１における冷却水の入口側とにおいて、水素と冷却水との間で熱交換が行えるような構成になっている。この熱交換により、燃料極２から排出される水素の温度は、燃料電池スタック１の入口における冷却水の温度と対応する（ほぼ等しい温度となる）。

燃料電池スタック１には、電力取出装置５が接続されている。この電力取出装置５は、システム制御装置４０によって制御され、燃料電池スタック１から電力を取り出して、この取り出した電力を、車両を駆動する電動モータ（図示せず）に供給する。

システム制御装置（制御手段）４０は、システム全体を制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。システム制御装置４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このシステム制御装置４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、循環ポンプ１２、パージバルブ１３、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２３、冷却水循環ポンプ３０、ファン３２、電力取出装置５といった種々の要素を制御する。また、システム制御装置４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。

タンク温度センサ１４は、燃料タンク１０内に貯蔵されている水素温度（以下「タンク温度」という）を検出する。水素圧力センサ１５は、燃料電池スタック１の燃料極２における水素圧力（以下「運転水素圧力」という）を検出する。入口温度センサ１６は、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される水素温度（以下「入口水素温度」という）を検出する。循環水素濃度センサ１７は、水素循環流路Ｌ２を流れる循環ガス中に含まれる水素濃度（以下「循環水素濃度」という）を検出する。循環流量センサ１８は、水素循環流路Ｌ２を流れる循環ガス流量を検出する。排出ガス温度センサ１９は、パージ流路Ｌ３から排出される循環ガス温度を検出する。空気圧力センサ２４は、燃料電池スタック１の酸化剤極３における空気圧力（以下「運転空気圧力」という）を検出する。入口冷却水温度センサ３３は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度、すなわち、燃料電池スタック１の入口における冷却水温度（以下「入口冷却水温度」という）を検出する。出口冷却水温度センサ３４は、燃料電池スタック１から排出される冷却水の温度、すなわち、燃料電池スタック１の出口における冷却水温度（以下「出口冷却水温度」という）を検出する。また、電力取出装置５は、電力取出制御のために、燃料電池スタック１を構成する各セルの電流値や電圧値、燃料電池スタック１全体での電流値や電圧値を検出する機能を備えており、これらの情報がシステム制御装置４０に入力されている。

ここで、システム制御装置４０の具体的な構成およびその制御方法の説明に先立ち、システム制御装置４０によって実行される制御概念について説明する。まず、タンク温度（燃料タンク１０内の水素温度）と、燃料電池スタック１の耐熱温度との関係について説明する。

燃料タンク１０に水素を充填する場合、水素が断熱的に圧縮されるため、タンク温度が上昇する。特に、水素を急速に充填した後では、タンク温度が上がりすぎる傾向となる。そのため、燃料極２に供給される水素の温度が、燃料電池スタック１を構成する部品の耐熱上限温度を上回ってしまう虞がある。

これに対して、燃料電池スタック１の発電量に応じて水素が消費され、燃料タンク１０から水素が放出される場合、水素が断熱的に膨張するため、タンク温度が低下する。また、燃料電池システムを大気下に長時間放置した場合、タンク温度は外気温に近づく。そのため、燃料電池システムを低温環境下に長時間放置した後に、システムを起動し、高負荷運転を継続した場合には、タンク温度が下がりすぎてしまう傾向となる。このケースでは、燃料極２に供給される水素の温度が、燃料電池スタック１を構成する部品の耐熱下限温度を下回ってしまう虞がある。

このように、タンク温度が耐熱上限温度を上回る場合には、燃料タンク１０から供給される水素は、燃料極２に供給される前に、耐熱上限温度以下となるように冷却されることが好ましい。一方、タンク温度が耐熱下限温度を下回る場合には、燃料タンク１０から供給される水素は、燃料極２に供給される前に、耐熱下限温度以上となるように加熱されることが好ましい。

本実施形態では、燃料タンク１０から供給される一次供給水素と、循環ポンプ１２からの循環ガスとを合流させることで、混合供給水素の温度、すなわち、燃料極２の入口におけるガスの温度を制御する。混合供給水素の温度は、水素供給流路Ｌ１と水素循環流路Ｌ２との合流部に流入するガスのエネルギと、合流部から流出するガスのエネルギとが等しくなる条件で決まる。ここで、ガスのエネルギとは、エンタルピと運動エネルギの総和である。しかしながら、本実施形態で想定する燃料電池システムの運転領域（温度領域、圧力領域、流量領域）では、合流部におけるガスの流入とガスの流出とにおけるエンタルピの変化量に対して、運転エネルギの変化量は十分に小さい。そこで、本実施形態では、運動エネルギの変化量は無視して考えることとする。すなわち、混合供給水素の温度は、合流部に流入するガスのエンタルピと、合流部から流出するガスのエンタルピとが等しくなる条件で決まる。この場合、下式に示す関係が成立する。

（数式１）
Ｃps×Ｔｓ×Ｑｓ＋Ｃpr×Ｔｒ×Ｑｒ＝Ｃpm×Ｔｍ×（Ｑｓ＋Ｑｒ）
同数式において、Ｃpsは、一次供給水素の合流部入口における定圧比熱、Ｔｓは、一次供給水素の合流部入口における温度、Ｑｓは、一次供給水素の合流部入口における流量である。Ｃprは、循環ガスの合流部入口における定圧比熱、Ｔｒは、循環ガスの合流部入口における温度、Ｑｒは、循環ガスの合流部入口における流量である。また、Ｃpmは、一次供給水素および循環ガスの合流後のガス、すなわち、混合供給水素における定圧比熱、Ｔｍは、混合供給水素の温度である。

本実施形態において想定する燃料電池システムは、運転温度域が−数十℃〜数十℃であり、運転圧力域が数十ｋＰａ〜数百ｋＰａであり、また、一次供給水素および循環ガスがともに２原子分子でなる。そこで、個々の定圧比熱Ｃps、Ｃpr、Ｃpmは、一定値（例えば、３．５）として扱うことができる。

また、本実施形態では、燃料電池スタック１から取り出す取出電流に応じて、燃料極２における運転水素圧力を一定に制御することとしている。そのため、一次供給水素の流量Ｑｓは、燃料電池スタック１の発電によって消費される水素の流量と対応する。よって、一次供給水素の流量Ｑｓは、燃料電池スタック１からの取出電流に比例する関係となるので、燃料電池スタック１からの取出電流に応じて推定できる。

また、燃料電池スタック１の発電に必要となる要求水素循環比、すなわち、循環ガスにおける水素の流量（以下「循環水素流量」という）を一次供給水素の流量Ｑｓで除算した値は、燃料電池スタック１からの取出電流に応じて予め分かる。そのため、循環ガスの流量Ｑｒは、循環水素流量を循環ガス中に含まれる水素濃度で割った値を用いることができる。ここで、循環ガスの流量Ｑｒは、燃料電池スタック１からの取出電流と要求水素循環比との積算値に比例する関係となり、燃料電池スタック１からの取出電流に応じて推定できる。

ここで、パージバルブ１３から排出される循環ガスの流量は、一次供給水素または循環ガスの流量Ｑｓ，Ｑｒと比較して十分に小さいと見なせるため、これを無視して考えても問題はない。さらに、一次供給水素は、燃料タンク１０から合流部入口までの間における温度変化が小さいため、一次供給水素の合流部入口における温度Ｔｓは、タンク温度を用いることができる。換言すれば、タンク温度センサ１４は、合流部へ流入する一次供給水素の温度を検出するガス温度検出手段として機能している。また、循環ガスの合流部入口における温度Ｔｒは、前述したとおり燃料電池スタック１内にて冷却水と燃料極２内の水素とが熱交換を行うため、入口冷却水温度に対応する。

このような観点に基づいて、システム制御装置４０は、まず、燃料電池スタック１からの取出電流に基づいて、一次供給水素の流量Ｑｓおよび循環ガスの流量Ｑｒを推定する。そして、上述した数式１に基づいて、混合供給水素の温度Ｔｍが目標温度となるように、入口冷却水温度を制御パラメータとして、その目標値（目標入口冷却水温度）を決定し、この目標入口冷却水温度に基づいて、例えば、冷却水の温度を制御する。これにより、燃料電池スタック１において、冷却水と水素との間で熱交換が行われ、循環ガスの温度を目標入口冷却水温度に近づけることができる。そして、この調温された循環ガスが一次供給水素に合流することにより、燃料極２の入口におけるガス（混合供給水素）の温度Ｔｍが、燃料電池の特性に応じて設定される管理温度範囲、すなわち、耐熱下限温度から耐熱上限温度までの温度範囲となるように制御される。

このような制御概念を前提として、システム制御装置４０は、これを機能的に捉えた場合、フラグ演算部４１（図２参照）、冷却水温度演算部４２（図３参照）、および、冷却水流量演算部４３（図４参照）を有している。

図２は、フラグ演算部４１を示すブロック図である。フラグ演算部４１は、スタック上限温度Ｔhsp、スタック下限温度Ｔlspおよびタンク温度Ｔtinに基づいて、温度判別フラグＦtmpを設定する。この温度判別フラグＦtmpは、スタック下限温度Ｔlspからスタック上限温度Ｔhspまでの範囲で規定される制御温度範囲を前提として、タンク内温度がその範囲内か、それよりも大きいか、或いは、それよりも小さいかを判別するフラグであり、「０」〜「２」の３種類のうちのいずれかが設定される。設定された温度判別フラグＦtmpは、冷却水温度演算部４２および冷却水流量演算部４３に対して出力される。

ここで、スタック上限温度Ｔhspは、燃料電池スタック１を構成する部品の耐熱上限温度に対してマージンをとった温度（耐熱上限温度以下の温度）であり、スタック下限温度Ｔlspは、燃料電池スタック１を構成する部品の耐熱下限温度に対してマージンをとった温度（耐熱下限温度以上の温度）である。これらスタック上限温度Ｔhspおよびスタック下限温度Ｔlspは、制御精度、演算処理誤差、各種センサ精度を考慮して、実験やシミュレーションからその最適値が予め設定されている。また、タンク温度Ｔtinは、燃料タンク１０内に貯蔵されている水素温度であり、タンク温度センサ１４から読み込まれる。

図３は、冷却水温度演算部４２を示すブロック図である。冷却水温度演算部４２は、燃料電池スタック１の入口における冷却水温度の目標値（以下「目標入口冷却水温度」という）を決定する。

具体的には、冷却水温度演算部４２は、温度判別フラグＦtmp、スタック上限温度Ｔhsp、スタック下限温度Ｔlsp、タンク温度Ｔtin、目標一次水素流量Ｑhts、目標循環流量Ｑctsに基づいて、スタック保護用の目標入口冷却水温度Ｔcitpを算出する。このスタック保護用の目標入口冷却水温度Ｔcitpは、一次供給水素の温度状態によって混交供給水素の温度が燃料電池スタック１の耐熱温度範囲を外れないようにとの観点から導き出される入口冷却水温度の制御目標値である。ここで、フラグ演算部４１と同様、スタック上限温度Ｔhspおよびスタック下限温度Ｔlspは予め設定されており、タンク温度Ｔtinは、タンク温度センサ１４から読み込まれる。温度判別フラグＦtmpは、フラグ演算部４１から入力される。また、目標一次水素流量Ｑhtsは、燃料電池スタック１の通常運転時、燃料電池スタック１に供給される一次供給水素の流量目標値であり、燃料電池スタック１からの取出電流に基づいて、一義的に決定される。目標循環流量Ｑctsは、燃料電池スタック１の通常運転時における循環ガスの流量目標値であり、燃料電池スタック１からの取出電流に基づいて、一義的に決定される。

冷却水温度演算部４２は、温度判別フラグＦtmpに基づいて、スタック保護用の目標入口冷却水温度Ｔcitp、および、通常運転時の目標入口冷却水温度Ｔcitsのいずれかを、制御指示値となる最終的な目標入口冷却水温度として決定する。ここで、通常運転時の目標入口冷却水温度Ｔcitsは、燃料電池スタック１の運転温度の管理目標値に応じて決定される値であり、例えば、フィードバック制御により出口冷却水温度が管理目標値と対応するようにその値が決定される。

図４は、冷却水流量演算部４３を示すブロック図である。冷却水流量演算部４３は、冷却系における冷却水の流量目標値である目標冷却水流量を決定する。具体的には、冷却水流量演算部４３は、温度判別フラグＦtmpに基づいて、通常運転時の目標冷却水流量Ｑcts、上限冷却水流量Ｑhcpおよびフィードバック冷却水流量Ｑctoのいずれかを、目標冷却水流量として決定する。

ここで、通常運転時の目標冷却水流量Ｑctsは、燃料電池スタック１の通常運転時における冷却水の流量目標値であり、図５に示すように、燃料電池スタック１の発電量に応じて決定される。また、上限冷却水流量Ｑhcpは冷却系において循環可能な冷却水の流量上限値であり、冷却水循環ポンプ３０の特性等により予め設定されている。フィードバック冷却水流量Ｑctoは、出口冷却水温度Ｔcoaが上限出口冷却水温度Ｔhcoに対応するようにフィードバック制御を行う場合の冷却水の流量目標流量である。この上限出口冷却水温度Ｔhcoは、燃料電池スタック１を構成する部品の耐熱上限温度に対してマージンをとった温度（耐熱上限温度以下の温度）であり、本実施形態では、スタック上限温度Ｔhspと同じ値に設定されている。

図６は、第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法としての混合供給水素の温度制御処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、システム制御装置４０によって実行される。まず、ステップ１（Ｓ１）において、各種のセンサ信号が読み込まれる。

ステップ２（Ｓ２）において、フラグ演算部４１は、温度判別フラグＦtmpを設定する。具体的には、フラグ演算部４１は、ステップ１において読み込んだタンク温度Ｔtinを参照し、このタンク温度Ｔtinと、設定値であるスタック上限温度Ｔhspおよびスタック下限温度Ｔlspとを比較する。フラグ演算部４１は、タンク温度Ｔtinがスタック上限温度Ｔhspよりも大きい場合には、温度判別フラグＦtmpを「１」にセットし、タンク温度Ｔtinがスタック下限温度Ｔlspよりも小さい場合には、温度判別フラグＦtmpを「２」にセットする。また、フラグ演算部４１は、タンク温度Ｔtinがスタック下限温度Ｔlsp以上かつスタック上限温度Ｔhsp以下である場合には、温度判別フラグＦtmpを「０」にセットする。

ステップ３（Ｓ３）において、冷却水温度演算部４２は、スタック保護用の目標入口冷却水温度Ｔcitpを算出する。具体的には、冷却水温度演算部４２は、まず、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、これが「１」の場合には、演算パラメータとしてスタック上限温度Ｔhspを採用し、「２」の場合には、演算パラメータとしてスタック下限温度Ｔlspを採用する。また、冷却水温度演算部４２は、ステップ１において読み込まれたタンク温度Ｔtin、目標一次水素流量Ｑhts、および、目標循環流量Ｑctsを演算パラメータとして採用する。そして、冷却水温度演算部４２は、これらの演算パラメータを用いて、以下に示す数式２に基づいて、スタック保護用の目標入口冷却水温度Ｔcitpを算出する。

（数式２）
Ｆtmp＝１の場合
Ｔcitp＝｛Ｃpm×Ｔhsp×（Ｑhts＋Ｑcts）−Ｃps×Ｔtin×Ｑhts｝／（Ｃpr×Ｑcts）
Ｆtmp＝２の場合
Ｔcitp＝｛Ｃpm×Ｔlsp×（Ｑhts＋Ｑcts）−Ｃps×Ｔtin×Ｑhts｝／（Ｃpr×Ｑcts）
なお、冷却水温度演算部４２は、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpが「０」の場合には、上述した演算処理を行わず、ステップ４（Ｓ４）にスキップする。

ステップ４において、冷却水温度演算部４２は、最終的な目標入口冷却水温度を決定する。具体的には、冷却水温度演算部４２は、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、これが「１」または「２」の場合には、ステップ３において算出されたスタック保護用の目標入口冷却水温度Ｔcitpを目標入口冷却水温度として決定し、「０」の場合には、通常運転時の目標入口冷却水温度Ｔcitsを目標入口冷却水温度として決定する。

ステップ５（Ｓ５）において、冷却水流量演算部４３は、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、目標冷却水流量を決定する。具体的には、冷却水流量演算部４３は、温度判別フラグＦtmpが「０」に設定されている場合には、通常運転時の目標冷却水流量Ｑctsを目標冷却水流量として決定する。一方、冷却水流量演算部４３は、温度判別フラグＦtmpが「１」に設定されている場合には、上限冷却水流量Ｑhcpを目標冷却水流量として決定する。これに対して、冷却水流量演算部４３は、温度判別フラグＦtmpが「２」に設定されている場合には、フィードバック冷却水流量Ｑctoを目標冷却水流量として決定する。なお、冷却水流量がゼロになった場合には出口冷却水温度センサ３４を用いて出口冷却水温度Ｔcoaを検出できないため、温度判別フラグＦtmpが「２」に設定されている場合であっても、目標冷却水流量は、その最低値が下限冷却水流量Ｑlcpに制限される。

このように本実施形態によれば、燃料電池スタック１には、燃料タンク１０から一次供給水素が供給されるとともに、燃料電池スタック１から排出されるガスが、一次供給水素に合流させられて、燃料電池スタックに循環させられている。また、冷却水循環ポンプ３０、ラジエータ３１およびファン３２を含む温度調整手段によって、燃料電池スタック１との間で冷却水が循環させるとともに、冷却水の温度を調整することにより、燃料電池スタックの温度が制御される。この燃料電池スタック１は、一次供給水素と循環ガスとを含む混合ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換部４を有している。そして、システム制御装置４０は、一次供給水素と循環ガスとの合流部へ流入する一次供給水素の温度（タンク温度）Ｔtinに基づいて温度調整手段を制御することにより、合流部において合流して燃料電池スタック１に供給される混合供給水素の温度が管理温度範囲に収まるように、冷却水の温度を調整する。

かかる構成によれば、冷却水の温度を制御し、燃料電池スタック１内で冷却水と水素とを熱交換させることで、循環ガスを調温し、その後、循環ガスと一次供給水素とを合流させることで、管理温度範囲に収まるように、混合供給水素を加熱あるいは冷却することができる。これにより、燃料電池スタック１に供給されるガスの温度を管理することができ、発電性能の低下を抑制することができる。

本実施形態によれば、管理温度範囲は、燃料電池スタック１における耐熱下限温度からの耐熱上限温度までの範囲に設定される。そのため、この範囲にガスの温度を管理することで、発電性能の低下とともに、燃料電池スタック１の破損などを抑制することができる。

本実施形態によれば、システム制御装置４０は、タンク温度Ｔtinが、管理温度範囲に基づいてその範囲内に設定される制御温度範囲外となる場合に、冷却水の温度を調整する。混合供給水素の温度は、タンク温度Ｔtinに支配される傾向があるので、このタンク温度Ｔtinと制御温度範囲とを比較することで、燃料電池スタック１に供給されるガスの温度を管理することができ、発電性能の低下を抑制することができる。

本実施形態によれば、システム制御装置４０は、冷却水の温度を調整するとともに、混合供給水素の温度が管理温度範囲に収まるように、冷却水の流量を調整する。かかる構成によれば、燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量を調整することで、燃料電池スタック１の入口と出口とにおける温度差を調整することができる。そのため、燃料電池スタック内における冷却水の平均温度を調整することができるので、循環ガスを効率よく冷却することができる。

本実施形態によれば、システム制御装置４０は、冷却水の温度を増加させるシーンにおいて、この冷却水の温度が許容上限温度に到達した場合には、冷却水の温度を許容上限温度に維持しながら冷却水の流量を増加させる。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の入口と出口とにおける温度差が減少し、燃料電池スタック１内における冷却水の平均温度を増加させることができる。そのため、燃料電池スタック１内における冷却水と循環ガスとの熱交換が増し、循環ガスを効率よく加熱することができる。

また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の熱交換部４は、燃料電池スタック１におけるガスの出口側と、燃料電池スタック１における冷却水の入口側とで熱交換を行う。かかる構成によれば、水素と冷却水とが対向する流れとなるので（カウンタフロー）、一次供給水素を効率よく冷却することができる。

なお、上述した実施形態では、燃料電池スタック１の熱交換部４は、燃料電池スタック１におけるガスの出口側と、燃料電池スタック１における冷却水の入口側とで熱交換を行う構成であるが、燃料電池スタック１におけるガスの出口側と、燃料電池スタック１における冷却水の出口側とで熱交換を行うように構成してもよい。かかる構成によれば、水素と冷却水とが平行する流れとなるので（コフロー）、一次供給水素を効率よく加熱することができる。そのため、燃料電池スタック１の特性として、主に耐熱上限温度に対して対策が必要である場合には、カウンタフローで構成し、主に耐熱下限温度に対して対策が必要である場合には、コフローで構成するほうがよい。

また、低温の一次供給水素を高温の循環ガスによって加熱する場合、循環ガスは冷却される側になるため、凝縮水が生じるおそれがある。したがって、合流部から燃料極２の入口までの流路に気液分離器を備えることが好ましい。なお、凝縮水が生じる場合には、凝縮潜熱が生じるため、上述した数式1に、凝縮潜熱の影響を加味してもよい。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態にかかる取出電流演算部４４を示すブロック図である。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、システム制御装置４０の機能的な要素として取出電流演算部４４が追加されていることである。なお、第１の実施形態と共通する構成については説明を省略し、以下相違点を中心に説明を行う。

システム制御装置４０は、これを機能的に捉えた場合、フラグ演算部４１、冷却水温度演算部４２および冷却水流量演算部４３に加え、取出電流演算部４４をさらに有している。フラグ演算部４１において設定される温度判別フラグＦtmpは、取出電流演算部４４に対しても出力されている。

取出電流演算部４４は、燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値（以下「目標取出電流」という）を決定する。

具体的には、取出電流演算部４４は、温度判別フラグＦtmp、スタック上限温度Ｔhsp、スタック下限温度Ｔlsp、タンク温度Ｔtin、入口冷却水温度Ｔcia、目標循環流量Ｑctsに基づいて、スタック保護用の取出電流制限値Ａptpを算出する。このスタック保護用の取出電流制限値Ａptpは、一次供給水素の温度状態によって混交供給水素の温度が燃料電池スタック１の耐熱温度範囲を外れないようにとの観点から導き出される取出電流の制限値である。ここで、フラグ演算部４１と同様、スタック上限温度Ｔhspおよびスタック下限温度Ｔlspは予め設定されており、タンク温度Ｔtinは、タンク温度センサ１４から読み込まれる。温度判別フラグＦtmpは、フラグ演算部４１から入力され、入口冷却水温度Ｔciaは、入口冷却水温度センサ３３から読み込まれる。目標循環流量Ｑctsは、燃料電池スタック１の通常運転時における循環ガスの流量目標値であり、燃料電池スタック１からの取出電流に基づいて、一義的に決定される。

取出電流演算部４４は、温度判別フラグＦtmpに基づいて、スタック保護用の取出電流制限値Ａptp、および、通常運転時の目標取出電流Ａptsのいずれかを、制御指示値となる最終的な目標取出電流として決定する。ここで、通常運転時の目標取出電流Ａptsは、システムに要求される要求電力に応じて一義的にて決定される。

図８は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法としての混合供給水素の温度制御処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、システム制御装置４０によって実行される。なお、ステップ１からステップ５までの処理は、第１の実施形態と同じである。

ステップ５に続くステップ６（Ｓ６）において、取出電流演算部４４は、スタック保護用の取出電流制限値Ａptpを算出する。具体的には、取出電流演算部４４は、まず、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、これが「１」の場合には、演算パラメータとしてスタック上限温度Ｔhspを採用し、「２」の場合には、演算パラメータとしてスタック下限温度Ｔlspを採用する。また、取出電流演算部４４は、ステップ１において読み込まれたタンク温度Ｔtin、入口冷却水温度Ｔcia、および、通常運転時の目標循環流量Ｑctsを演算パラメータとして採用する。そして、取出電流演算部４４は、これらの演算パラメータを用いて、以下に示す数式３に基づいて、一次供給水素の流量制限値Ｑhlを算出する。

（数式３）
Ｆtmp＝１の場合
Ｑhl＝｛（Ｃpm×Ｔhsp×Ｑcts−Ｃpr×Ｔcia×Ｑcts）／（Ｃps×Ｔtin−Ｃpm×Ｔhsp）｝
Ｆtmp＝２の場合
Ｑhl＝｛（Ｃpm×Ｔlsp×Ｑcts−Ｃpr×Ｔcia×Ｑcts）／（Ｃps×Ｔtin−Ｃpm×Ｔlsp）｝
つぎに、取出電流演算部４４は、一次供給水素の流量制限値Ｑhlに基づいて、この流量に対応する取出電流をスタック保護用の取出電流制限値Ａptpとして算出する。

ステップ７（Ｓ７）において、取出電流演算部４４は、最終的な目標取出電流を決定する。具体的には、取出電流演算部４４は、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、これが「１」または「２」の場合には、ステップ６において算出されたスタック保護用の取出電流制限値Ａptpを目標取出電流として決定し、「０」の場合には、通常運転時の目標取出電流Ａptsを目標取出電流として決定する。

このように本実施形態において、システム制御装置４０は、さらに、混合供給水素の温度が管理温度範囲に収まるように、冷却水の温度に基づいて一次供給水素の流量を調整する。かかる構成によれば、循環ガスによる混合供給水素の調温が容易となる。これにより、燃料電池スタック１に供給されるガスの温度を管理することができ、発電性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、システム制御装置４０は、一次供給水素の流量を減少させる場合には、電力取出装置５を制御して、燃料電池スタック１から取り出す電力を制限することで行う。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の発電に必要な水素を過不足なく供給しながら、合流部に流入する一次供給水素の流量を低減できる。そのため、燃料電池スタック１の発電性能を低下させることなく、燃料電池スタック１に供給されるガスの温度を管理することができる。

なお、本実施形態では、冷却水による循環ガスの温度制御に加え、取出電流の制限、すなわち、一次供給水素の流量を制御することにより、混合供給水素の温度を調整しているが、追加的な制御としては、一次供給水素の流量制御に限定されない。

図９は、第２の実施形態の変形例としての循環流量演算部４４ａを示すブロック図である。具体的には、システム制御装置４０は、これを機能的に捉えた場合、フラグ演算部４１、冷却水温度演算部４２および冷却水流量演算部４３に加え、循環流量演算部４４ａをさらに有している。フラグ演算部４１において設定される温度判別フラグＦtmpは、循環流量演算部４４ａに対しても出力されている。

循環流量演算部４４ａは、循環ガスの流量の目標値（以下「目標循環流量」という）を決定する。

具体的には、循環流量演算部４４ａは、温度判別フラグＦtmp、スタック上限温度Ｔhsp、スタック下限温度Ｔlsp、タンク温度Ｔtin、入口冷却水温度Ｔcia、通常運転時の目標取出電流Ａptsに基づいて、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpを算出する。このスタック保護用の目標循環流量Ｑctpは、一次供給水素の温度状態によって混交供給水素の温度が燃料電池スタック１の耐熱温度範囲を外れないようにとの観点から導き出される循環ガス流量の制御目標値である。ここで、取出電流演算部４４と同様、スタック上限温度Ｔhspおよびスタック下限温度Ｔlspは予め設定されており、タンク温度Ｔtinは、タンク温度センサ１４から読み込まれる。温度判別フラグＦtmpは、フラグ演算部４１から入力され、入口冷却水温度Ｔciaは、入口冷却水温度センサ３３から読み込まれる。また、通常運転時の目標取出電流Ａptsは、システムに要求される要求電力に応じて一義的にて決定される。

循環流量演算部４４ａは、温度判別フラグＦtmpに基づいて、スタック保護用の目標循環流量Ｑctp、および、通常運転時の目標循環流量Ｑctsのいずれかを、制御指示値となる最終的な目標循環流量として決定する。ここで、通常運転時の目標循環流量Ｑctsは、燃料電池スタック１からの取出電流に基づいて、一義的に決定される。

なお、取出電流演算部４４に代えて循環流量演算部４４ａを用いるケースでは、図８に示したステップ６およびステップ７の処理は、以下に示す処理に変更される。

まず、循環流量演算部４４ａは、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpを算出する。具体的には、循環流量演算部４４ａは、まず、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、これが「１」の場合には、演算パラメータとしてスタック上限温度Ｔhspを採用し、「２」の場合には、演算パラメータとしてスタック下限温度Ｔlspを採用する。また、循環流量演算部４４ａは、ステップ１において読み込まれたタンク温度Ｔtin、入口冷却水温度Ｔcia、および、通常運転時の目標取出電流Ａptsを演算パラメータとして採用する。そして、循環流量演算部４４ａは、これらの演算パラメータを用いて、以下に示す数式４に基づいて、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpを算出する。この際、目標一次水素流量Ｑhtsは、通常運転時の目標取出電流Ａptsに基づいて、一義的に決定される。

（数式４）
Ｆtmp＝１の場合
Ｑctp＝｛（Ｃpm×Ｔhsp×Ｑhts−Ｃps×Ｔtin×Ｑhts）／（Ｃpr×Ｔtin−Ｃpm×Ｔhsp）｝
Ｆtmp＝２の場合
Ｑctp＝｛（Ｃpm×Ｔlsp×Ｑhts−Ｃps×Ｔtin×Ｑhts）／（Ｃpr×Ｔtin−Ｃpm×Ｔlsp）｝
そして、循環流量演算部４４ａは、最終的な目標循環流量を決定する。具体的には、循環流量演算部４４ａは、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、これが「１」または「２」の場合には、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpを目標取出電流として決定し、「０」の場合には、通常運転時の目標循環流量Ｑctsを目標取出電流として決定する。

このように、上記の変形例において、システム制御装置４０は、さらに、混合供給水素の温度が管理温度範囲に収まるように、冷却水の温度に基づいて循環ガスの流量を調整する。かかる構成によれば、循環ガスによる混合供給水素の調温が容易となる。これにより、燃料電池スタック１に供給されるガスの温度を管理することができ、発電性能の低下を抑制することができる。

また、上述した実施形態では、スタック保護の観点から取出電流を制限しているが、本発明はこれに限定されず、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力制御によってスタック保護を図ってもよい。

図１０は、第２の実施形態の別の変形例としての水素圧力演算部４４ｂを示すブロック図である。具体的には、システム制御装置４０は、これを機能的に捉えた場合、フラグ演算部４１、冷却水温度演算部４２および冷却水流量演算部４３に加え、水素圧力演算部４４ｂをさらに有している。フラグ演算部４１において設定される温度判別フラグＦtmpは、水素圧力演算部４４ｂに対しても出力されている。なお、水素圧力演算部４４ｂの構成は、上述した循環流量演算部４４ａと共通する点があるので、重複する説明については省略し、相違点を中心に説明を行う。

水素圧力演算部４４ｂは、燃料電池スタック１に供給される水素（混合供給水素）圧力の目標値（以下「目標水素圧力」という）を決定する。

具体的には、水素圧力演算部４４ｂは、温度判別フラグＦtmp、スタック上限温度Ｔhsp、スタック下限温度Ｔlsp、タンク温度Ｔtin、入口冷却水温度Ｔcia、通常運転時の目標取出電流Ａptsに基づいて、上述の変形例の通り、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpを算出する。また、水素圧力演算部４４ｂは、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpと、通常運転時の目標循環流量Ｑctsとに基づいて、スタック保護用の目標水素圧力Ｐfitpを算出する。このスタック保護用の目標水素圧力Ｐfitpは、一次供給水素の温度状態によって混交供給水素の温度が燃料電池スタック１の耐熱温度範囲を外れないようにとの観点から導き出される水素圧力の制御目標値である。

水素圧力演算部４４ｂは、温度判別フラグＦtmpに基づいて、スタック保護用の目標水素圧力Ｐfitp、および、通常運転時の目標水素圧力Ｐfitsのいずれかを、制御指示値となる最終的な目標水素圧力として決定する。ここで、通常運転時の目標水素圧力Ｐfitsは、燃料電池スタック１からの取出電流に基づいて、一義的に決定される。

なお、取出電流演算部４４に代えて水素圧力演算部４４ｂを用いるケースでは、図８に示したステップ６およびステップ７の処理は、以下に示す処理に変更される。

まず、水素圧力演算部４４ｂは、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpを算出する。つぎに、水素圧力演算部４４ｂは、スタック保護用の目標循環流量Ｑctpを通常運転時の目標循環流量Ｑctsによって除算するとともに、この除算値に通常運転時の目標水素圧力Ｐfitsを積算することで、スタック保護用の目標水素圧力Ｐfitpを算出する。これは、循環ポンプ１２が容積を吐出する装置である場合、燃料極２における入口圧力を増大する、すなわち、循環ガスの圧力を増大することにより、ガス密度を増加でき、循環ポンプ１２から吐出される質量流量を増大できるためである。また、循環ポンプ１２の吐出性能が、循環ガスの密度の増加とともに向上する場合には、循環ポンプ１２から吐出される質量流量を増大できる。

そして、水素圧力演算部４４ｂは、最終的な目標循環流量を決定する。具体的には、水素圧力演算部４４ｂは、ステップ２において設定された温度判別フラグＦtmpを参照し、これが「１」または「２」の場合には、スタック保護用の目標水素圧力Ｐfitpを目標取出電流として決定し、「０」の場合には、通常運転時の目標水素圧力Ｐfitsを目標取出電流として決定する。

このようなに、上記の変形例において、システム制御装置４０は、さらに、混合供給水素の温度が管理温度範囲に収まるように、冷却水の温度に基づいて混合供給水素の圧力を調整する。かかる構成によれば、循環ガスによる混合供給水素の調温が容易となる。これにより、燃料電池スタック１に供給されるガスの温度を管理することができ、発電性能の低下を抑制することができる。

なお、上述した２つの変形例は、それぞれ個別に実施するのみならず、両者を並列的に実施してもよい。このケースでは、例えば、循環流量演算部４４ａの演算結果が循環ポンプ１２の吐出性能の限界値（最大吐出流量）に達した場合には、水素圧力演算部４４ｂにおける通常運転時の目標循環流量Ｑctsに最大吐出流量を入力するように変更することで、目標水素圧力を演算するといった如くである。また、目標水素圧力が燃料電池システムで許容できる最大圧力まで達した場合には、図７の取出電流演算部４４における通常運転時の目標循環流量Ｑctsに代えて、最大吐出流量に最大圧力による質量流量増大分を補正した流量を入力するように変更することで、目標取出電流を演算するといった如くである。この結果、燃料電池システムからの取出電流に対する制限を抑制することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第２の実施形態のそれと相違する点は、パージバルブ１３の開度制御が追加されている点である。具体的には、第２実施形態では、入口冷却水温度が目標値に到達するまでの間は、燃料電池スタック１からの取出電流の制限による供給ガス流量の制限、或いは、循環ガス流量の調整、或いは、燃料極２における運転圧力の調整によって、混合供給水素が管理温度範囲となるようしている。このような期間では、水素循環流量が、燃料電池スタック１の要求水素循環流量に対して十分確保されている状態になっている。そのため、システム制御装置４０は、水素循環流量が要求水素循環流量に到達するまでは、パージバルブ１３からの窒素の排出量を低減させることができる。そこで、システム制御装置４０は、循環流量センサ１８の検出値と循環水素濃度センサ１７の検出値とを掛け合わせた水素循環流量の算出値が要求水素循環流量と一致するように、すなわち、循環ガス中に許容される不純物の上限量以下となるように、パージバルブ１３の開度を制御する。これにより、水素循環流路Ｌ２に存在する窒素量を増大させ、循環ガスの密度を増大することができる。

なお、上述した各実施形態では、燃料電池スタック１における燃料極２からの排出ガスを循環させる構成であるため、燃料極２側での循環ガスにより、燃料極２の入口におけるガスの温度を制御する手法について説明した。しかしながら、燃料電池システムが燃料電池スタック１における酸化剤極３からの排出ガスを循環させる構成であれば、上記の手法と同様の観点から、酸化剤極３側での循環ガスにより、酸化剤極３の入口におけるガスの温度を制御することができる。

燃料電池システムの全体構成を示すブロック図 フラグ演算部４１を示すブロック図 冷却水温度演算部４２を示すブロック図 冷却水流量演算部４３を示すブロック図 冷却水流量と発電量との関係を示す説明図 第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法としての混合供給水素の温度制御処理の手順を示すフローチャート 第２の実施形態にかかる取出電流演算部４４を示すブロック図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法としての混合供給水素の温度制御処理の手順を示すフローチャート 第２の実施形態の変形例としての循環流量演算部４４ａを示すブロック図 第２の実施形態の別の変形例としての水素圧力演算部４４ｂを示すブロック

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…燃料極
３…酸化剤極
４…熱交換部
５…電力取出装置
１０…燃料タンク
１１…水素調圧バルブ
１２…循環ポンプ
１３…パージバルブ
１４…タンク温度センサ
１５…水素圧力センサ
１６…入口温度センサ
１７…循環水素濃度センサ
１８…循環流量センサ
１９…排出ガス温度センサ
２０…コンプレッサ
２１…アフタークーラー
２１…空気調圧バルブ
２２…加湿装置
２３…空気調圧バルブ
２４…空気圧力センサ
３０…冷却水循環ポンプ
３１…ラジエータ
３２…ファン
３３…入口冷却水温度センサ
３４…出口冷却水温度センサ
４０…システム制御装置
４１…フラグ演算部
４２…冷却水温度演算部
４３…冷却水流量演算部
４４…取出電流演算部
４４ａ…循環流量演算部
４４ｂ…水素圧力演算部

Claims (14)

1. 燃料電池システムにおいて、
   反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給手段と、
   前記燃料電池から排出されるガスを、前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスに合流させることにより、前記燃料電池に循環させるガス循環手段と、
   前記燃料電池との間で熱媒体を循環させるとともに、当該熱媒体の温度を調整することにより、前記燃料電池の温度を制御する温度調整手段と、
   前記反応ガスと前記ガス循環手段からの循環ガスとの合流部へ流入する前記反応ガスの温度を供給ガス温度として検出するガス温度検出手段と、
   前記ガス温度検出手段によって検出される前記供給ガス温度に基づいて前記温度調整手段を制御することにより、前記合流部において合流して前記燃料電池に供給される混合ガスの温度が、前記燃料電池の特性に応じて設定される管理温度範囲に収まるように、前記熱媒体の温度を調整する制御手段とを有し、
   前記燃料電池は、自己に供給される混合ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記管理温度範囲は、前記燃料電池を構成する部品の耐熱下限温度から前記燃料電池を構成する部品の耐熱上限温度までの範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記ガス温度検出手段によって検出される供給ガス温度が、前記管理温度範囲に基づいてその範囲内に設定される制御温度範囲外となる場合に、前記熱媒体の温度を調整することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記熱媒体の温度を調整するとともに、前記混合ガスの温度が前記管理温度範囲に収まるように、前記熱媒体の流量を調整することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記熱媒体の温度を増加させるシーンにおいて、当該熱媒体の温度が、前記燃料電池の特性に応じて熱媒体に設定される許容上限温度に到達した場合には、前記熱媒体の温度を前記許容上限温度に維持しながら、前記熱媒体の流量を増加させることを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、さらに、前記混合ガスの温度が前記管理温度範囲に収まるように、前記熱媒体の温度に基づいて前記反応ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
7. 前記燃料電池から電力を取り出す電力取出手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記反応ガスの流量を減少させる場合には、前記電力取出手段を制御して、前記燃料電池から取り出す電力を制限することで行うことを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、さらに、前記混合ガスの温度が前記管理温度範囲に収まるように、前記熱媒体の温度に基づいて前記循環ガスの流量を調整することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、さらに、前記混合ガスの温度が前記管理温度範囲に収まるように、前記熱媒体の温度に基づいて前記燃料電池に供給される混合ガスの圧力を調整することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
10. 前記循環ガスに含まれる不純物を排出するパージ手段をさらに有し、
    前記制御手段は、さらに、前記パージ手段を制御することにより、当該パージ手段からの不純物の排出量を低減させることを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、前記循環ガス中に許容される不純物の上限量以下となるように、前記パージ手段を制御することを特徴とする請求項１０に記載された燃料電池システム。
12. 前記熱交換手段は、前記燃料電池における反応ガスの出口側と、前記燃料電池における熱媒体の入口側とで熱交換を行うことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
13. 前記熱交換手段は、前記燃料電池における反応ガスの出口側と、前記燃料電池における熱媒体の出口側とで熱交換を行うことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
14. 燃料電池システムの制御方法において、
    反応ガス供給手段から反応ガスを燃料電池に供給し、
    前記燃料電池から排出されるガスを、前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスに合流させることにより、前記燃料電池に循環させ、
    前記燃料電池との間で熱媒体を循環させるとともに、当該熱媒体の温度を調整することにより、前記燃料電池の温度を制御し、
    前記反応ガスと前記ガス循環手段からの循環ガスとの合流部へ流入する前記反応ガスの温度を供給ガス温度として検出し、
    前記合流部において合流して前記燃料電池に供給される混合ガスの温度が、前記燃料電池の特性に応じて設定される管理温度範囲に収まるように、前記ガス温度検出手段によって検出される前記供給ガス温度に基づいて、前記熱媒体の温度を調整しており、
    前記燃料電池は、自己に供給される混合ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換手段を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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