JP2011096553A - 燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度の燃料を供給しなくても燃料電池の温度上昇に要する時間を短縮することができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、セルスタックと、セルスタックに空気を供給するためのエアポンプと、セルスタックの温度を検出するセルスタック温度センサと、セルスタック温度センサによって検出されたセルスタックの温度に基づいてエアポンプの出力を制御するＣＰＵとを備える。ＣＰＵは、セルスタックの発電を開始したのちセルスタックの温度が所定温度に達するまでの少なくとも一部の期間におけるエアポンプの出力を、セルスタックの温度が所定温度以上の場合のエアポンプの出力よりも大きく設定する。
【選択図】図６

Description

この発明は燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器に関し、より特定的には、直接メタノール型の燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器に関する。

燃料電池システムには発電に最適な温度があり、通常それは外気温よりも高い温度である。長時間発電を行っていない燃料電池システムでは、燃料電池の温度は外気温と同等の温度まで低下しているため、効率的な発電を行うためには燃料電池の温度を上記最適な温度まで迅速に上昇させることが必要である。

特許文献１には、燃料電池の温度が低いときには高濃度の燃料水溶液を燃料電池に供給することによって温度上昇に要する時間を短縮できる燃料電池システムが開示されている。
特開２００６−００４８６８号公報

しかし、高濃度の燃料水溶液を燃料電池に供給する場合、燃料電池の触媒の劣化が促進されてしまう場合があることがわかった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、高濃度の燃料を供給しなくても燃料電池の温度上昇に要する時間を短縮することができる、燃料電池システムを提供することである。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に酸化剤を含む気体を供給するための気体供給部と、燃料電池の温度を取得する電池温度取得部と、電池温度取得部によって取得された燃料電池の温度に基づいて気体供給部の出力を制御する制御部とを備え、制御部は、燃料電池の発電を開始したのち燃料電池の温度が所定温度に達するまでの少なくとも一部の期間における気体供給部の出力を、燃料電池の温度が所定温度以上の場合の気体供給部の出力よりも大きく設定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は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、所定温度は、燃料電池が通常運転しているときの燃料電池の温度よりも小さいことを特徴とする。

請求項３に記載の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、外気温を取得する外気温取得部と、気体供給部の最大出力を取得する出力取得部と、外気温取得部によって取得された外気温と出力取得部によって取得された最大出力とに基づいて最大出力の状態において気体供給部から供給される気体の温度を取得する気体温度取得部とをさらに備え、制御部は、気体温度取得部によって取得された気体の温度が燃料電池の温度以上のとき気体供給部の出力を最大出力に設定することを特徴とする。

請求項４に記載の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、外気温を取得する外気温取得部と、気体供給部の出力を取得する出力取得部と、外気温取得部によって取得された外気温と出力取得部によって取得された出力とに基づいて気体供給部から供給される気体の温度を取得する気体温度取得部とをさらに備え、制御部は、気体温度取得部によって取得された気体の温度が燃料電池の温度以上のとき気体供給部の出力を増加させることを特徴とする。

請求項５に記載の輸送機器は、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムを備える。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電を開始したのち燃料電池の温度が所定温度に達するまでの少なくとも一部の期間において、燃料電池の温度が所定温度以上の場合よりも気体供給部の出力を大きく設定する。たとえば送風効率が３５〜４０％の気体供給部の場合、投入されたエネルギの６０〜６５％は熱や音などに変換されてしまう。気体供給部の出力を上げると熱になるエネルギ量も増えるので、気体供給部の温度が上昇し、気体供給部から燃料電池に向けて供給される気体（酸化剤を含む）の温度も上昇する。燃料電池の温度が所定温度に達するまでは、気体供給部の出力を大きくし気体供給部から供給される気体の温度を上昇させることによって、燃料電池の温度を迅速に上昇させることができる。したがって、高濃度の燃料を供給しなくても燃料電池の温度上昇に要する時間を短縮することができる。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、所定温度を、燃料電池の通常運転時の温度（定常温度）よりも小さく設定することによって、燃料電池の温度が通常運転時の温度よりも上昇してしまい触媒などが劣化することを防止できる。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、外気温と気体供給部の最大出力とに基づいて、気体供給部の最大出力時において気体供給部から燃料電池へ向けて供給される気体の温度を取得できる。取得された気体の温度が燃料電池の温度以上のときには、気体供給部の出力を最大出力に設定すれば燃料電池の温度をさらに上昇できることになるので、制御部は、気体供給部の出力を最大出力に設定する。これによって、気体供給部から気体に伝わる熱が多くなり、燃料電池の温度をより迅速に上昇させることができる。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、その時点での外気温と気体供給部の出力とに基づいて、その時点において気体供給部から燃料電池へ向けて供給される気体の温度を取得できる。取得された気体の温度が燃料電池の温度以上のときには、気体供給部からの気体によってさらに燃料電池の温度を上昇できることになるので、制御部は、気体供給部の出力をさらに増加させる。この処理を繰り返して気体供給部の出力を徐々に増加させる。これによって、気体供給部から気体に伝わる熱が多くなり、燃料電池の温度をより迅速に上昇させることができる。

燃料電池システムを輸送機器に搭載する場合にはシステムのサイズを小さくすることが望まれ、燃料電池の発電開始後に燃料水溶液を迅速に昇温させ短時間で通常運転に移行することが要求される。この発明によれば、燃料電池システムの温度上昇に要する時間を短縮できるので、この発明は、請求項５に記載するように燃料電池システムを備える輸送機器に好適に用いられる。

なお、「通常運転」とは、燃料電池の温度が発電に適した温度で運転されている状態をいう。この実施形態では、発電に適した温度はたとえば６５℃に設定されている。

この発明によれば、高濃度の燃料を供給しなくても燃料電池システムの温度上昇に要する時間を短縮できる。

この発明の一実施形態の自動二輪車を示す左側面図である。 この発明の一実施形態の燃料電池システムの配管を示すシステム図である。 この発明の一実施形態の燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 空気の流量と給気温度、ポンプ送風効率および熱ロスとの関係を示すグラフである。 様々な空気流量における外気温と給気温度との関係を示すグラフである。 この発明の一実施形態の動作の一例を示すフロー図である。 この発明の一実施形態の動作の他の例を示すフロー図である。 （ａ）は給気温度およびセルスタック温度の推移の一例を示すグラフであり、（ｂ）はエアポンプ出力の推移の一例を示すグラフである。 この発明の一実施形態の動作のその他の例を示すフロー図である。 （ａ）は給気温度およびセルスタック温度の推移の他の例を示すグラフであり、（ｂ）はエアポンプ出力の推移の他の例を示すグラフである。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
ここでは、この発明の燃料電池システム１００を、輸送機器の一例である自動二輪車１０に搭載した場合について説明する。

まず、自動二輪車１０について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、自動二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。

図１を参照して、自動二輪車１０は車体フレーム１２を有する。車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４、ヘッドパイプ１４から後方へ斜め下方に延びるフロントフレーム１６、およびフロントフレーム１６の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８を備えている。リヤフレーム１８の上端部には、図示しないシートを設けるためのシートレール２０が固設されている。

ヘッドパイプ１４内には、ステアリング軸２２が回動自在に挿通されている。ステアリング軸２２の上端にはハンドル２４が固定されたハンドル支持部２６が取り付けられている。ハンドル支持部２６の上端には表示操作部２８が配置されている。

図３をも参照して、表示操作部２８は、各種指示や各種情報入力用の入力部２８ａ、および各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成される表示部２８ｂを備える。

図１に示すように、ステアリング軸２２の下端には左右一対のフロントフォーク３０が取り付けられており、一対のフロントフォーク３０それぞれの下端には前輪３２が回転自在に取り付けられている。

リヤフレーム１８の下端部には、スイングアーム（リヤアーム）３４が揺動自在に取り付けられている。スイングアーム３４の後端部３４ａには、後輪３６に連結されかつ後輪３６を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ３８が内蔵されている。スイングアーム３４には、電動モータ３８に電気的に接続される駆動ユニット４０が内蔵されている。駆動ユニット４０は、電動モータ３８の回転駆動を制御するためのモータコントローラ４２、および二次電池１２８（後述）の蓄電量を検出する蓄電量検出器４４を含む。

このような自動二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００の構成部材が配置されている。燃料電池システム１００は、電動モータ３８や補機類等を駆動するための電気エネルギを生成する。

以下、図１および図２を参照して、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに電気エネルギの生成（発電）に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。

燃料電池システム１００は、燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。図１に示すように、セルスタック１０２は、フロントフレーム１６から吊るされ、フロントフレーム１６の下方に配置されている。

図２に示すように、セルスタック１０２は、それぞれメタノールに基づく水素イオンと酸素（酸化剤）との電気化学反応によって発電できる複数の燃料電池（燃料電池セル）１０４を含む。これらの燃料電池１０４は積層（スタック）されかつ直列接続されている。各燃料電池１０４は、固体高分子膜からなる電解質膜１０６と、電解質膜１０６を挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１０８およびカソード（空気極）１１０とを含む。アノード１０８およびカソード１１０はそれぞれ、電解質膜１０６側に白金触媒層（図示せず）を有する。隣り合う燃料電池１０４間にはセパレータ１１２が挟まれている。

図１に示すように、フロントフレーム１６の下方でありかつセルスタック１０２の上方には、ラジエータユニット１１４が配置されている。

図２に示すように、ラジエータユニット１１４は、水溶液用のラジエータ１１４ａと気液分離用のラジエータ１１４ｂとを一体的に設けたものである。

また、リヤフレーム１８の一対の板状部材の間には、上方から順に燃料タンク１１６、水溶液タンク１１８および水タンク１２０が配置されている。

燃料タンク１１６は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（好ましくは、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。水溶液タンク１１８は、燃料タンク１１６からのメタノール燃料をセルスタック１０２の電気化学反応に適した濃度（好ましくは、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。水タンク１２０は、水溶液タンク１１８に供給すべき水を収容している。

燃料タンク１１６にはレベルセンサ１２２が装着され、水溶液タンク１１８にはレベルセンサ１２４が装着され、水タンク１２０にはレベルセンサ１２６が装着されている。レベルセンサ１２２，１２４および１２６は、それぞれたとえばフロートセンサであり、タンク内の液面の高さ（液位）を検出する。

燃料タンク１１６の前側でありかつフロントフレーム１６の上側には、二次電池１２８が配置されている。二次電池１２８は、セルスタック１０２からの電力を蓄え、コントローラ１３６（後述）の指示に応じて電気構成部材に電力を供給する。二次電池１２８の上側には、燃料ポンプ１３０が配置されている。

フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１３２およびエアポンプ１３４が収納されている。フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、コントローラ１３６および水ポンプ１３８が配置されている。

フロントフレーム１６にはメインスイッチ１４０が設けられている。メインスイッチ１４０がオンされることによってコントローラ１３６に運転開始指示が与えられ、メインスイッチ１４０がオフされることによってコントローラ１３６に運転停止指示が与えられる。セルスタック１０２の発電動作中にメインスイッチ１４０がオフされた場合は、コントローラ１３６に運転停止指示および発電停止指示が与えられる。

図２に示すように、燃料タンク１１６と燃料ポンプ１３０とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３０と水溶液タンク１１８とはパイプＰ２によって連通され、水溶液タンク１１８と水溶液ポンプ１３２とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１３２とセルスタック１０２とはパイプＰ４によって連通されている。パイプＰ４はセルスタック１０２のアノード入口Ｉ１に接続されている。水溶液ポンプ１３２を駆動させることによってセルスタック１０２にメタノール水溶液が供給される。パイプＰ４にはメタノール水溶液の濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）を検出するための濃度センサ１４２が設けられている。濃度センサ１４２としては、たとえば超音波センサが用いられる。超音波センサは、メタノール水溶液の濃度に応じて変化する超音波の伝播時間（伝播速度）を電圧値として検出する。コントローラ１３６は、その電圧値に基づいてメタノール水溶液の濃度を検出する。

セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック温度センサ１４４が設けられている。セルスタック温度センサ１４４は、メタノール水溶液の温度を検出し、それをセルスタック１０２ひいては燃料電池１０４の温度とみなす。

セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１４ａとはパイプＰ５によって連通され、ラジエータ１１４ａと水溶液タンク１１８とはパイプＰ６によって連通されている。パイプＰ５はセルスタック１０２のアノード出口Ｉ２に接続されている。
上述したパイプＰ１〜Ｐ６は主として燃料の流路となる。

また、エアポンプ１３４にはパイプＰ７が接続され、エアポンプ１３４とセルスタック１０２とはパイプＰ８によって連通されている。パイプＰ８はセルスタック１０２のカソード入口Ｉ３に接続されている。エアポンプ１３４を駆動させることによって外部からセルスタック１０２に酸素（酸化剤）を含む気体としての空気が供給される。カソード入口Ｉ３付近には、カソード１１０に供給される空気の温度を検出するカソード入口温度センサ１４５が設けられている。パイプＰ７近傍には、外気温を検出する外気温センサ１４６が設けられている。

セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４ｂとはパイプＰ９によって連通され、ラジエータ１１４ｂと水タンク１２０とはパイプＰ１０によって連通され、水タンク１２０にはパイプ（排気管）Ｐ１１が設けられている。パイプＰ９は、セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４に接続されている。パイプＰ１１は水タンク１２０の排気口に設けられ、セルスタック１０２からの排気を外部に排出する。
上述したパイプＰ７〜Ｐ１１は主として酸化剤の流路となる。

水タンク１２０と水ポンプ１３８とはパイプＰ１２によって連通され、水ポンプ１３８と水溶液タンク１１８とはパイプＰ１３によって連通されている。
上述したパイプＰ１２，Ｐ１３は水の流路となる。

ついで、図３を参照して、燃料電池システム１００の電気的構成について説明する。
燃料電池システム１００のコントローラ１３６は、ＣＰＵ１４８、クロック回路１５０、メモリ１５２、電圧検出回路１５４、電流検出回路１５６、ＯＮ／ＯＦＦ回路１５８および電源回路１６０を含む。

ＣＰＵ１４８は、必要な演算を行い燃料電池システム１００の動作を制御する。クロック回路１５０は、ＣＰＵ１４８にクロック信号を与える。メモリ１５２は、たとえばＥＥＰＲＯＭからなり、燃料電池システム１００の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等を格納する。電圧検出回路１５４は、セルスタック１０２の電圧を検出する。電流検出回路１５６は、電気回路１６２を流れる電流を検出する。ＯＮ／ＯＦＦ回路１５８は、電気回路１６２を開閉する。電源回路１６０は、電気回路１６２に所定の電圧を供給する。

コントローラ１３６のＣＰＵ１４８には、メインスイッチ１４０および入力部２８ａからの入力信号が入力される。また、ＣＰＵ１４８には、レベルセンサ１２２，１２４，１２６、濃度センサ１４２、セルスタック温度センサ１４４、カソード入口温度センサ１４５および外気温センサ１４６からの検出信号が入力される。さらに、ＣＰＵ１４８には、電圧検出回路１５４からの電圧検出値、および電流検出回路１５６からの電流検出値が入力される。

ＣＰＵ１４８によって、燃料ポンプ１３０、水溶液ポンプ１３２、エアポンプ１３４および水ポンプ１３８等の補機類が制御される。

また、ドライバに各種情報を報知するための表示部２８ｂがＣＰＵ１４８によって制御される。さらに、電気回路１６２を開閉するＯＮ／ＯＦＦ回路１５８がＣＰＵ１４８によって制御される。

二次電池１２８は、セルスタック１０２の出力を補完するものであり、セルスタック１０２からの電力によって充電され、その放電によって電動モータ３８や補機類等に電力を供給する。

ＣＰＵ１４８には、インターフェイス回路１６４を介して蓄電量検出器４４からの蓄電量検出値が入力される。ＣＰＵ１４８は、入力された蓄電量検出値と二次電池１２８の容量とを用いて二次電池１２８の蓄電率を算出する。

記憶手段であるメモリ１５２には、図６、図７および図９の動作を実行するためのプログラム、各種演算値および各種検出値等が格納される。また、メモリ１５２には、図５に示すような、エアポンプ１３４から供給される空気の流量と、外気温と、エアポンプ１３４から供給される空気の温度（給気温度）との関係を示すテーブルデータが格納されている。さらに、メモリ１５２には、エアポンプ出力の従来レベルを示すデータ（図８（ｂ）および図１０（ｂ）における破線Ｃ２に相当）、エアポンプ１３４の最大出力を示すデータ（図８（ｂ）の実線Ｃ１の最大値に相当）、およびエアポンプ１３４の出力増加量を決定するためのデータ(図１０（ｂ）の実線Ｃ３の右上がり部分に相当)が格納されている。

この実施形態では、制御部はＣＰＵ１４８を含む。気体供給部はエアポンプ１３４を含む。セルスタック温度センサ１４４が電池温度取得部に相当する。外気温センサ１４６が外気温取得部に相当する。出力取得部はＣＰＵ１４８およびメモリ１５２を含む。気体温度取得部はＣＰＵ１４８およびメモリ１５２を含む。

図４に、このような燃料電池システム１００における、エアポンプ１３４から供給される空気の流量と、給気温度、エアポンプ１３４の送風効率および熱ロスとの関係の一例を示す。図４には、外気温が３０℃の場合の特性を示す。

図４を参照して、エアポンプ１３４から供給される空気の流量を増加させると、熱ロスが増加し、給気温度が上昇する。外気温が３０℃の場合、空気の流量が略７０L／ｍｉｎであれば、給気温度は略４５℃となる。一方、空気の流量を略１２０Ｌ／ｍｉｎにすると、給気温度は略５０℃となる。したがって、両者における給気温度の差は略５℃になる。

図５に、エアポンプ１３４から供給される空気の流量が１５０Ｌ／min、１００ｌ／min、５０Ｌ／minの各場合における、外気温と給気温度との関係を示す。

図５を参照して、外気温が上昇すれば給気温度も上昇する。また、エアポンプ１３４から供給される空気の流量が大きいほど、同じ外気温に対する給気温度が高くなる。

因みに、エアポンプ１３４の出力がわかれば、それに対応するエアポンプ１３４への供給電流とエアポンプ１３４の送風効率とがわかる。すると、これらの供給電流と送風効率とに基づいてエアポンプ１３４から発せられる熱量を算出できる。さらに外気温を勘案すると、エアポンプ１３４から供給される空気の温度（給気温度）を算出できる。

ついで、図６を参照して、燃料電池システム１００の動作の一例について説明する。
たとえば、メインスイッチ１４０がオンされると燃料電池システム１００が起動される。

その後、蓄電量検出器４４が二次電池１２８の蓄電率が所定値（好ましくは４０％）未満であることを検出すれば、セルスタック１０２ひいては燃料電池１０４の発電が開始される。このとき、ＣＰＵ１４８が、エアポンプ１３４を駆動させ（ステップＳ１）、水溶液ポンプ１３２を駆動させる（ステップＳ３）。そして、ＣＰＵ１４８は、セルスタック温度センサ１４４によってセルスタック１０２の温度を測定し（ステップＳ５）、セルスタック１０２の温度が所定温度に達したか否かを判断する（ステップＳ７）。この実施形態では、所定温度は、セルスタック１０２のネット出力（セルスタック１０２による発電量から、燃料電池システム１００の発電に要する消費電力を減じた値）が正の値になるときの燃料電池１０４ひいてはセルスタック１０２の温度に設定され、たとえば５０℃である。

セルスタック１０２の温度が所定温度に達していなければ、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の出力を最大出力に設定し（ステップＳ９）、ステップＳ５に戻る。そして、ステップＳ７においてセルスタック１０２の温度が所定温度に達するまで、その状態を保つ。ステップＳ７において、セルスタック１０２の温度が所定温度に達すれば、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の出力を従来レベル（図８（ｂ）の破線Ｃ２参照）に設定し（ステップＳ１１）、終了する。セルスタック１０２の温度が所定温度に達し、燃料電池システム１００のネット出力が正の値になれば、必要な空気量が自ずと決定するので、ステップＳ１１においてエアポンプ１３４の出力を従来レベルに設定する。なお、この実施形態では、エアポンプ１３４の出力の設定は、エアポンプ１３４への供給電流を調整することによって行われる。

このように動作する燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０４ひいてはセルスタック１０２の発電を開始したのち燃料電池１０４ひいてはセルスタック１０２の温度が所定温度に達するまでの少なくとも一部の期間において、セルスタック１０２の温度が所定温度以上の場合よりもエアポンプ１３４の出力を大きく設定する。エアポンプ１３４の出力を上げると熱になるエネルギ量も増えるので、エアポンプ１３４の温度が上昇し、エアポンプ１３４からセルスタック１０２に向けて供給される空気の温度も上昇する。セルスタック１０２の温度が所定温度に達するまでは、エアポンプ１３４の出力を大きくしエアポンプ１３４から供給される空気の温度を上昇させることによって、セルスタック１０２の温度を迅速に上昇させることができる。したがって、高濃度の燃料を供給しなくてもセルスタック１０２の温度上昇に要する時間を短縮することができる。

また、所定温度を、セルスタック１０２の通常運転時の温度（定常温度：たとえば６５℃）よりも小さく設定することによって、セルスタック１０２の温度が通常運転時の温度よりも上昇してしまい触媒などが劣化することを防止できる。

ついで、図７を参照して、燃料電池システム１００の動作の他の例について説明する。
図７に示す動作例では、図１に示す動作例のステップＳ７とＳ９との間にステップＳ８ａ〜Ｓ８ｄの処理が加えられている。その他の処理は図１に示す動作例と同様であるので、重複する説明は省略する。

ステップＳ７がＮＯであれば、外気温センサ１４６によって外気温が検出され（ステップＳ８ａ）、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の最大出力をメモリ１５２から取得する（ステップＳ８ｂ）。そして、ＣＰＵ１４８は、メモリ１５２に格納された図５に対応するテーブルデータを参照して、検出された外気温と取得されたエアポンプ１３４の最大出力とに基づいて、エアポンプ１３４の最大出力時においてエアポンプ１３４から供給される空気の温度を取得する（ステップＳ８ｃ）。

そして、ＣＰＵ１４８は、取得された給気温度がセルスタック１０２の温度より大きいか否かを判断する（ステップＳ８ｄ）。給気温度がセルスタック１０２の温度より大きければ、ステップＳ９に進み、ＣＰＵ１４８は、メモリ１５２に格納された最大出力を示すデータを参照して、エアポンプ１３４の出力を最大出力に設定し、ステップＳ５に戻る。給気温度がセルスタック１０２の温度より大きいときには、エアポンプ１３４から供給される空気によってセルスタック１０２の温度を上昇させることができる。

一方、ステップＳ８ｄにおいて、給気温度がセルスタック１０２の温度以下であれば、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の出力を従来レベルに設定し（ステップＳ１１）、終了する。給気温度がセルスタック１０２の温度以下のときには、エアポンプ１３４の出力を従来レベル（図８（ｂ）の破線Ｃ２参照）まで小さくして取り込む空気量を減らすことで、エアポンプ１３４から単位体積あたりの空気に伝わる熱が多くなり、給気温度を上昇させることができる。また、エネルギの浪費を防ぐことができる。

図７に示す動作を行った場合、たとえば、エアポンプ１３４から供給される空気の温度（給気温度）およびセルスタック１０２の温度はそれぞれ図８（ａ）の実線Ａ１および一点鎖線Ｂ１で示すように推移し、エアポンプ１３４の出力は図８（ｂ）の実線Ｃ１で示すように推移する。なお、図８（ａ）において、破線Ａ２は従来のエアポンプの給気温度を示し、二点鎖線Ｂ２は従来のセルスタックの温度を示す。Ｔ１はセルスタック１０２の通常運転時における温度を示し、たとえば６５℃である。Ｔ２は所定温度を示し、たとえば５０℃である。図８（ｂ）において、破線Ｃ２は従来のエアポンプ出力（従来レベル）を示す。破線Ｃ２に示すように、従来のエアポンプ出力は、セルスタック１０２の発電開始後には段階的に大きくなり、その後一定になる。

燃料電池システム１００のエアポンプ１３４の出力を、図８（ｂ）の実線Ｃ１に示すように推移させることによって、燃料電池システム１００のエアポンプ１３４の給気温度およびセルスタック１０２の温度を、図８（ａ）の実線Ａ１および一点鎖線Ｂ１に示すように、従来（破線Ａ２および二点鎖線Ｂ２で示す）よりも早く立ち上げることができる。

このように動作する燃料電池システム１００によれば、外気温とエアポンプ１３４の最大出力とに基づいて、エアポンプ１３４の最大出力時においてエアポンプ１３４からセルスタック１０２へ向けて供給される空気の温度を取得できる。取得された給気温度がセルスタック１０２の温度以上のときには、エアポンプ１３４の出力を最大出力に設定すればセルスタック１０２の温度をさらに上昇できることになるので、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の出力を最大出力に設定する。これによって、エアポンプ１３４から空気に伝わる熱が多くなり、セルスタック１０２の温度をより迅速に上昇させることができる。

ついで、図９を参照して、燃料電池システム１００の動作のその他の例について説明する。
図９に示す動作例では、図７に示す動作例のステップＳ８ｂおよびＳ９に代えて、それぞれステップＳ８ｂ１およびステップＳ９ａの処理が行われている。その他の処理は図７に示す動作例と同様であるので、重複する説明は省略する。

ステップＳ８ａの後、ステップＳ８ｂ１において、ＣＰＵ１４８は、その時点でのエアポンプ１３４への供給電流に基づいてその時点でのエアポンプ１３４の出力をメモリ１５２から取得する。そして、ステップＳ８ｃにおいて、ＣＰＵ１４８は、メモリ１５２に格納された図５に対応するテーブルデータを参照して、検出された外気温と取得されたその時点でのエアポンプ１３４の出力とに基づいて、その時点においてエアポンプ１３４から供給される空気の温度を取得する。

そして、ステップＳ８ｄにおいて、ＣＰＵ１４８は、取得された給気温度がセルスタック１０２の温度より大きければ、ステップＳ９ａに進み、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の出力を増加させ、ステップＳ５に戻る。このとき、ＣＰＵ１４８は、メモリ１５２に格納されたエアポンプ１３４の出力増加量を決定するためのデータに基づいて、エアポンプ１３４の出力の増加量を決定する。給気温度がセルスタック１０２の温度より大きいときには、空気の熱によってセルスタック１０２の温度を上昇させることができる。

図９に示す動作を行った場合、たとえば、エアポンプ１３４から供給される空気の温度（給気温度）およびセルスタック１０２の温度はそれぞれ図１０（ａ）の実線Ａ３および一点鎖線Ｂ３で示すように推移し、エアポンプ１３４の出力は図１０（ｂ）の実線Ｃ３で示すように推移する。なお、図１０（ａ）において、破線Ａ２は従来のエアポンプの給気温度を示し、二点鎖線Ｂ２は従来のセルスタックの温度を示す。Ｔ１はセルスタック１０２の通常運転時における温度を示し、Ｔ２は所定温度を示す。図１０（ｂ）において、破線Ｃ２は従来のエアポンプ出力（従来レベル）を示す。

燃料電池システム１００のエアポンプ１３４の出力を、図１０（ｂ）の実線Ｃ３に示すように推移させることによって、燃料電池システム１００のエアポンプ１３４の給気温度およびセルスタック１０２の温度を、図１０（ａ）の実線Ａ３および一点鎖線Ｂ３に示すように、従来（破線Ａ２および二点鎖線Ｂ２で示す）よりも迅速に立ち上げることができる。

このように動作する燃料電池システム１００によれば、その時点での外気温とエアポンプ１３４の出力とに基づいて、その時点においてエアポンプ１３４からセルスタック１０２へ向けて供給される空気の温度を取得できる。取得された空気の温度がセルスタック１０２の温度以上のときには、エアポンプ１３４からの空気によってさらにセルスタック１０２の温度を上昇できることになるので、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の出力をさらに増加させる。この処理を繰り返してエアポンプ１３４の出力を徐々に増加させる。これによって、エアポンプ１３４から空気に伝わる熱が多くなり、セルスタック１０２の温度をより迅速に上昇させることができる。

なお、図９のステップＳ８ｂ１およびＳ８ｃに示す処理に代えて、カソード入口温度センサ１４５によってカソード１１０に供給される空気の温度を検出し、その検出温度をエアポンプ１３４から供給される空気の温度（給気温度）としてもよい。

電池温度取得部は、燃料電池１０４自体の温度を直接検出するセンサであってもよい。

上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。

上述の実施形態では、セルスタック１０２（燃料電池１０４）のカソード１１０にエアポンプ１３４によって空気を供給する場合について説明したが、これに限定されない。この発明では、酸化剤を含む任意の気体をカソード１１０に供給でき、気体供給部は任意の送気ポンプを含むことができる。

この発明の燃料電池システムは、自動二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器に好適に用いることができる。

また、この発明は、据え付けタイプの燃料電池システムにも適用でき、さらに、パーソナルコンピュータ、携帯機器等の電子機器に搭載される可搬型の燃料電池システムにも適用できる。

１０ 自動二輪車
１００ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池セルスタック
１０４ 燃料電池
１０８ アノード
１１０ カソード
１３４ エアポンプ
１３６ コントローラ
１４４ セルスタック温度センサ
１４５ カソード入口温度センサ
１４６ 外気温センサ
１４８ ＣＰＵ
１５２ メモリ

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤を含む気体を供給するための気体供給部と、
   前記燃料電池の温度を取得する電池温度取得部と、
   前記電池温度取得部によって取得された前記燃料電池の温度に基づいて前記気体供給部の出力を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の発電を開始したのち前記燃料電池の温度が所定温度に達するまでの少なくとも一部の期間における前記気体供給部の出力を、前記燃料電池の温度が前記所定温度以上の場合の前記気体供給部の出力よりも大きく設定する、燃料電池システム。
2. 前記所定温度は、前記燃料電池が通常運転しているときの前記燃料電池の温度よりも小さい、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 外気温を取得する外気温取得部と、
   前記気体供給部の最大出力を取得する出力取得部と、
   前記外気温取得部によって取得された前記外気温と前記出力取得部によって取得された前記最大出力とに基づいて前記最大出力の状態において前記気体供給部から供給される前記気体の温度を取得する気体温度取得部とをさらに備え、
   前記制御部は、前記気体温度取得部によって取得された前記気体の温度が前記燃料電池の温度以上のとき前記気体供給部の出力を最大出力に設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 外気温を取得する外気温取得部と、
   前記気体供給部の出力を取得する出力取得部と、
   前記外気温取得部によって取得された前記外気温と前記出力取得部によって取得された前記出力とに基づいて前記気体供給部から供給される前記気体の温度を取得する気体温度取得部とをさらに備え、
   前記制御部は、前記気体温度取得部によって取得された前記気体の温度が前記燃料電池の温度以上のとき前記気体供給部の出力を増加させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムを備える、輸送機器。

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