JP2016035870A

JP2016035870A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2016035870A
Application number: JP2014158857A
Authority: JP
Inventors: 敦雄飯尾; Atsuo Iio
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-03-17

Abstract

【課題】燃料電池システムの構成を簡略化しながら暖機運転を行う。
【解決手段】燃料電池システムＡは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管４１と、酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサ４４と、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管４６と、カソードオフガス管内に配置され、酸化剤ガス通路の圧力を調整するカソードオフガス調圧弁４７とを備え、ターボコンプレッサから酸化剤ガス供給管へ供給される酸化剤ガスの全量が酸化剤ガス通路の入口へ供給され、暖機運転時に、フラッディングが発生するように酸化剤ガスの流量及び圧力を制御し、フラッディングが発生しないときと比較して燃料電池スタックが発生する熱量を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、カソードオフガス管内に配置され、酸化剤ガス通路の圧力を調整するカソードオフガス調圧弁と、コンプレッサ下流の酸化剤ガス供給管とカソードオフガス調圧弁下流のカソードオフガス管とを連結するスタックバイパス管と、酸化剤ガス供給管からスタックバイパス管へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御するスタックバイパス弁と、を備え、暖機運転時に、エアストイキ比が１．０未満になるように燃料電池スタックへ供給される酸化剤ガスの流量及び圧力を制御し、通常運転の場合と比較して燃料電池スタックが発生する熱量を増加させる、燃料電池システムが公知である（特許文献１参照）。ただし、エアストイキ比とは、発電に必要な空気（酸素ガス）に対して、燃料電池システムに供給された空気(酸素ガス）の量である。例えば、エアストイキ比が１．０の場合には、供給された空気中の酸素ガスは供給された水素ガスと過不足なく反応する。

エアストイキ比を１．０未満に設定する運転、すなわち低エアストイキ比運転を行うと、カソード極側の酸素ガスが不足しているので、燃料電池スタックの内部抵抗が増加する。そのため、燃料電池スタックで発生する電力のうち、内部抵抗により損失となる分が増加して、その損失分が熱となることで、燃料電池スタックが暖機される。一方、カソードオフガスを車外へ排出するときには、安全性の面からカソードオフガス中の水素ガス濃度を所定の濃度以下に希釈する必要がある。そのためには、カソードオフガスの流量を増加させる必要がある。ところが、燃料電池スタックは低エアストイキ比運転を行っている、すなわち燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの流量を少なくしている。そのため、燃料電池スタックから送出されるカソードオフガスの流量を増加させることはできない。そこで、特許文献１では、スタックバイパス弁及びスタックバイパス管を設けることにより、燃料電池スタックをバイパスさせた酸化剤ガスをカソードオフガス管へ供給するようにしている。これにより、暖機運転において、低エアストイキ比運転を行いながら、カソードオフガスに混入される水素ガスの希釈に十分な量の酸化剤ガスをカソードオフガスに供給している。

特開２００７−３１７４７１号公報

しかしながら、特許文献１では、上述したように、暖機運転を行うためにスタックバイパス弁及びスタックバイパス管を設置する必要があり、燃料電池システムの構成が複雑になるという問題が生じる。また、燃料電池システムにかかるコストが増加する、燃料電池システムに必要な設置スペースが増加する、燃料電池システムのメンテナンスに手間がかかる、燃料電池システムの制御が複雑になるといった問題も生じる。燃料電池システムの構成を簡略化しつつ、暖機運転することが可能な技術が望まれる。

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路の圧力を調整するカソードオフガス調圧弁と、を備え、前記ターボコンプレッサから前記酸化剤ガス供給管へ供給される酸化剤ガスの全量が前記酸化剤ガス通路の入口へ供給され、暖機運転時に、フラッディングが発生するように前記酸化剤ガスの流量及び圧力を制御し、フラッディングが発生しないときと比較して前記燃料電池スタックが発生する熱量を増加させる、燃料電池システムが提供される。

燃料電池システムの構成を簡略化しつつ、暖機運転を行うことができる。

燃料電池システムの構成図である。ターボコンプレッサの特性を模式的に示すグラフである。ターボコンプレッサの特性を模式的に示すグラフである。燃料電池スタックの出力電流−出力電圧特性を模式的に示すグラフである。燃料電池スタックの出力電流−出力電圧特性と発生する熱量との関係を模式的に示すグラフである。温度と要求電力との関係を示す表である。要求電力と目標電流値との関係を示すグラフである。ターボコンプレッサの特性の一例を示すグラフである。フラッディング判定の出力電圧の変動幅を説明するグラフである。暖機運転制御のルーチンを示すフローチャートである。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。

複数の燃料電池単セルは直列又は並列に電気的に接続されている。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

また、燃料電池単セル内には、アノード極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流通路と、カソード極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列又は並列に接続されることにより、燃料電池スタック１０には燃料ガス通路３０、酸化剤ガス通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。

燃料ガス通路３０の入口には燃料ガス供給管３１が連結され、燃料ガス供給管３１は燃料ガス源３２に連結される。図１に示される実施例では、燃料ガスは水素ガスから形成され、燃料ガス源３２は水素タンクから形成される。燃料ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、燃料ガス供給管３１内の燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、燃料ガス源３２からの燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給するための燃料ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、燃料ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁されかつ燃料ガスインジェクタ３５が開弁されると、燃料ガス源３２内の燃料ガスが燃料ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の燃料ガス通路３０内に供給される。このとき燃料ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内にはアノードオフガス管３６内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス制御弁３７が配置される。

また、酸化剤ガス通路４０の入口には酸化剤ガス供給管４１が連結され、酸化剤ガス供給管４１は酸化剤ガス源４２に連結される。図１に示される実施例では、酸化剤ガスは空気から形成され、酸化剤ガス源４２は大気から形成される。酸化剤ガス供給管４１内には上流側から順に、ガスクリーナ４３と、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサ４４と、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、酸化剤ガス通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結される。ターボコンプレッサ４４が駆動されると、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路４０内に供給される。このとき酸化剤ガス通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入する。カソードオフガス管４６内にはカソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス調圧弁４７が配置される。ここで、図１に示される実施例では、特許文献１に記載されているようなスタックバイパス管とスタックバイパス弁とを備えていない。言い換えると、ターボコンプレッサ４４下流の酸化剤ガス供給管４１とカソードオフガス調圧弁４７下流のカソードオフガス管４６とを連結するスタックバイパス管と、酸化剤ガス供給管４１からスタックバイパス管へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御するスタックバイパス弁とを備えていない。したがって、ターボコンプレッサから酸化剤ガス供給管４１へ供給される酸化剤ガスの全量が燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０の入口へ供給される。そして、酸化剤ガス通路４０の出口から送出されるカソードオフガスの全量が外部へそのまま排出される。図示されない別の実施例では、酸化剤ガス通路４０の出口から送出されるカソードオフガスは他の用途、例えばアノードオフガスの希釈に利用される。また、図１に示される実施例では、ターボコンプレッサ４４は遠心式又は軸流式のターボコンプレッサから構成される。小型化・軽量化などの面から、遠心式のターボコンプレッサが好適に用いられる。

また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。ターボコンプレッサ４４と燃料電池スタック１０との間における酸化剤ガス供給管４１には酸化剤ガス供給管４１内の圧力を検出する圧力センサ７０が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０の近傍には外気温を測定する温度センサ７１が取り付けられる。また、燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０に隣接する冷却水供給管５１には冷却水の温度を検出する温度センサ７２が取り付けられる。圧力センサ７０及び温度センサ７１、７２の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介して遮断弁３３、レギュレータ３４、燃料ガスインジェクタ３５、アノードオフガス制御弁３７、ターボコンプレッサ４４、カソードオフガス調圧弁４７、冷却水ポンプ５２及びラジエータバイパス制御弁５５に電気的に接続される。

ところで、燃料電池スタック１０で発電すべきときには遮断弁３３及び燃料ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、ターボコンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、電動車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。

図１に示される燃料電池システムＡでは、発電すべきときには、例えばアクセルペダルの踏み込み量により表されるモータジェネレータ１３の負荷及び蓄電器１４の蓄電量に応じて燃料電池スタック１０の目標電力値、すなわち目標電圧値及び目標電流値が求められる。次いで、燃料電池スタック１０の出力電流値を目標電流値にするのに必要な燃料ガス流量、すなわち目標燃料ガス流量が求められ、出力電流値を目標電流値にするのに必要な酸化剤ガス流量に予め設定されたエアストイキ比をかけて目標酸化剤ガス流量が求められる。次いで、燃料電池スタック１０に送られる燃料ガス流量が目標燃料ガス流量となるようにレギュレータ３４及び燃料ガスインジェクタ３５が制御され、燃料電池スタック１０に送られる酸化剤ガス流量が目標酸化剤ガス流量となるようにターボコンプレッサ４４が制御される。

次に、図２及び図３を参照しながら、ターボコンプレッサ４４の特性について説明する。図２及び図３はターボコンプレッサ４４の特性を模式的に示している。図２及び図３において、縦軸はターボコンプレッサ４４の入口における圧力に対するターボコンプレッサ４４の出口における圧力の比である圧力比を示しており、横軸はターボコンプレッサ４４から吐出される酸化剤ガスの流量を示している。なお、ターボコンプレッサ４４の入口における圧力は大気圧と考えることができる。一方、ターボコンプレッサ４４の出口における圧力は圧力センサ７０により検出されると共に、カソードオフガス調圧弁４７により制御される酸化剤ガス通路４０内の圧力に応じて定まる。

図２は、圧縮比及び酸化剤ガス流量により定まるターボコンプレッサ４４の作動可能領域ＷＡＴと、圧縮比及び酸化剤ガス流量により定まるターボコンプレッサ４４以外のコンプレッサ、すなわち回転式や往復式の容積型コンプレッサの作動可能領域ＷＡＣとを模式的に示している。図に示すように、ターボコンプレッサ４４は、ターボコンプレッサ４４以外のコンプレッサと比較して、高流量・高圧力比の範囲を含む幅広い範囲でまで運転可能である。また、図３は、ターボコンプレッサ４４の作動効率がターボコンプレッサ４４以外のコンプレッサの作動効率よりも優れる作動領域ＨＥＡを模式的に示している。図に示すように、酸化剤ガス流量がＱＨＥＡ以上の作動領域ＨＥＡではターボコンプレッサ４４の作動効率が優れており、酸化剤ガス流量がＱＨＥＡ未満の作動領域ＬＥＡではターボコンプレッサ４４以外のコンプレッサの作動効率が優れている。すなわち、ターボコンプレッサ４４は、ターボコンプレッサ４４以外のコンプレッサと比較して、高流量・高圧力比の範囲を含む幅広い範囲で作動効率が優れている。以上に示されるように、ターボコンプレッサ４４は、ターボコンプレッサ４４以外のコンプレッサと比較して、高流量・高圧力比の範囲を含む幅広い範囲において、高効率で作動可能であるという大きな優位性を有している。

次に、図４を参照しながら、燃料電池スタック１０の特性について説明する。図４は燃料電池スタック１０の電気的な特性を模式的に示している。図４において、縦軸は燃料電池スタック１０が出力する電圧、すなわち出力電圧を示しており、横軸は燃料電池スタック１０が出力する電流、すなわち出力電流を示している。曲線Ａは、暖機運転以外の運転時、すなわち通常運転時の出力電流−出力電圧特性を示す。曲線Ｂは、図１に示す実施例で行う暖機運転であるフラッディング運転時の出力電流−出力電圧特性を示す。ただし、フラディング運転では、エアストイキ比は１．０以上であり、低エアストイキ比ではない。曲線Ｃは、特許文献１に開示された暖機運転である低エアストイキ比運転時の出力電流−出力電圧特性を示している。ただし、フラッディングとは、カソード極側で生成された水分が凝縮してカソード極上を少なくとも部分的に覆い、電気化学反応に必要な酸化剤ガスがカソード極の水分で覆われた部分に到達し難くなる現象である。また、フラッディング運転とは、フラッディングが発生している状態で、燃料電池スタック１０を運転することをいう。

通常運転時では、燃料ガス及び酸化剤ガスが十分に足りていて、フラッディングも発生していないため、燃料電池スタック１０の内部抵抗による損失が少ない。そのため、曲線Ａに示されるように、良好な出力電流−出力電圧特性を示している。しかし、フラッディング運転時では、カソード極を覆う凝縮水によりカソード極で酸素ガスが不足し、内部抵抗が増加する。そのため、曲線Ｂに示されるように、通常運転時と比較して同じ出力電流に対して、出力電圧が低くなり、出力電流の上限も低くなる。同様に、低エアストイキ比運転時では、カソード極側に供給される酸化剤ガスが少ないためカソード極で酸素ガスが不足し、内部抵抗が増加する。そのため、曲線Ｃに示されるように、通常運転時と比較して同じ出力電流に対して、出力電圧が低くなり、出力電流の上限も低くなる。このように、燃料電池スタック１０のフラッディング運転時の状態と、低エアストイキ比運転時の状態とは、酸素ガス不足で内部抵抗が増加しているという点で概ね同じであると考えることができる。したがって、燃料電池スタック１０の暖機運転として、低エアストイキ比運転の代わりに、フラッディング運転を利用することができる。例えば、曲線Ｂの出力電圧ＶＢかつ出力電流Ｉ０の状態ＰＢについて考えてみると、電圧（Ｖ０−ＶＢ）が内部抵抗にかかり、出力電圧ＶＢが外部負荷にかかる。したがって、内部抵抗により消費される電力、すなわち燃料電池スタック１０の加熱に使用できる熱量は（ＶＯ−ＶＢ）×Ｉ０であり、これは図５に示すように領域（Ｓ１＋Ｓ２）の面積に相当する。一方、通常運転での出力電圧ＶＡかつ出力電流Ｉ０の状態ＰＡで考えてみると、電圧（Ｖ０−ＶＡ）が内部抵抗にかかり、出力電圧ＶＡが外部負荷にかかることになる。したがって、熱量は（ＶＯ−ＶＡ）×Ｉ０であり、これは図５に示すように領域Ｓ１の面積に相当する。このように、フラッディング運転時に発生する熱量は通常運転時に発生する熱量よりも非常に大きく、燃料電池スタック１０の暖機運転として、フラッディングの状態を利用できる。

また、特に、フラッディング運転の状態として、曲線Ｂと曲線Ｃとが交差する状態ＰＢを選択すれば、この状態ＰＢでは、燃料電池スタック１０の発熱に使用できる熱量は、フラッディング運転時の状態と、低エアストイキ比運転時の状態とで同じである。すなわち、出力電流及び出力電圧を適切に選択すれば、フラッディング運転を利用することで、低エアストイキ運転を利用するのと同等の熱量を確保することができる。それにより、フラッディング運転でも、低エアストイキ運転と同等の時間で暖機運転を終了することができる。すなわち、フラッディング運転を採用しても、低エアストイキ比運転と同等の暖機性能を得ることができる。また、出力電流をＩ０よりも大きくすれば、このときのフラッディング運転時の出力電圧（曲線Ｃ）は低エアストイキ比運転時の出力電圧（曲線Ｂ）よりも低いので、フラッディング運転は、低エアストイキ比運転と比較して、より大きな熱量を発生させることができる。

フラッディングの状態を発生させるためには、まず、酸化剤ガスの流量を通常運転での酸化剤ガスの流量よりも多くし、かつ、酸化剤ガスの圧力比を通常運転での酸化剤ガスの圧力比よりも高くして、ターボコンプレッサ４４から燃料電池スタック１０のカソード極側へ酸化剤ガスを供給する。それにより、酸化剤ガスの濃度が高まり燃料電池スタック１０の内部抵抗が減少するなどの理由により、燃料電池スタック１０の出力電圧−出力電流特性を向上させて、水分の生成量を増加させることができる。更に、カソードオフガス調圧弁４７の開度を小さくして、すなわち閉じ気味にして、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス通路４０の圧力を通常運転での酸化剤ガス通路４０の圧力よりも高くする。それにより、燃料電池スタック１０のカソード極側に生成した水分をカソード極側にそのまま残存させ、凝縮させ易くできる。すなわち、酸化剤ガスの流量及び圧力比を相対的に高く、燃料電池スタック１０のカソード極側の圧力を相対的に高くするようにターボコンプレッサ４４及びカソードオフガス調圧弁４７を制御することで、意図的にカソード極側にフラッディングを起こさせることができる。その結果、フラッディング運転が可能となり、燃料電池スタック１０で発生する熱量を増加させて、燃料電池スタック１０を暖機することができる。

ここで、フラッディングの状態では、凝縮水によりカソード極への酸素ガスの供給が阻害されているため、カソード極側の酸素ガスが不足することは、低エアストイキ比の状態と同じである。しかし、図１に示す実施例の燃料電池システムＡでは、酸化剤ガスが高流量に供給されているため、カソードオフガスを希釈するための追加の酸化剤ガス供給が不要である。すなわち、特許文献１のようなスタックバイパス管やスタックバイパス弁を設ける必要はない。

また、ターボコンプレッサ４４は、図２及び図３で示されるように、フラッディング運転を行う高流量・高圧力比の作動条件において高効率で作動が可能である。そのため、燃料電池スタック１０が発電した電力を内部抵抗で熱に変換するという発電効率が低下する運転を行っても、その燃費効率の低下を大幅に抑制できる。

次に、燃料電池スタック１０の暖機運転方法について説明する。
燃料電池スタック１０の温度が低いと発電効率が低いため、燃料電池システムＡが起動したとき燃料電池スタック１０の温度が低い場合には、燃料電池スタック１０の温度を高くするべく暖機運転を行う必要がある。そこで、燃料電池システムＡが起動したとき、温度センサ７１で外気の温度Ｔが測定される。この外気の温度Ｔは、燃料電池スタック１０の温度を表しているとみなすことができる。燃料電池システムＡが起動したとき、温度センサ７１で計測された外気の温度Ｔが予め設定された閾値温度Ｔ０よりも低い場合、燃料電池スタック１０には暖機運転が必要であると判断される。閾値温度Ｔ０は、０℃に例示される。別の実施例では、燃料電池スタック１０の温度として、燃料電池スタック１０の冷却水の温度が温度センサ７２で測定される。そして、計測された燃料電池スタック１０の冷却水の温度が予め設定された閾値温度よりも低い場合、燃料電池スタック１０には暖機運転が必要であると判断される。

続いて、燃料電池スタック１０には暖機運転が必要であると判断された場合、その時の外気の温度Ｔに基づいて、暖機運転に要求される要求電力ＯＵＴＤが決定される。暖機運転に要求される要求電力ＯＵＴＤは、例えば、温度Ｔの関数として予め求められており、図６に示されるテーブルの形でＲＯＭ６２内に予め記憶されている。この場合、温度Ｔが低いほど、要求電力ＯＵＴＤは大きくなる。

続いて、決定された要求電力ＯＵＴＤに基づいて、目標電流値ＩＴＡＧが決定される。ここで、目標電流値ＩＴＡＧは、例えば、要求電力ＯＵＴＤの関数として求めることができる。具体的には、フラッディング運転時の出力電圧−出力電流特性、すなわち図７に示される曲線Ｂ（図４又は図５と同じ）に基づいて、図７のハッチング部分の面積（（ＶＯ−ＶＴＡＧ）×ＩＴＡＧ）＝要求電力ＯＵＴＤとなるときの状態ＰＴＡＧが算出され、状態ＰＴＡＧの電流値ＩＴＡＧが目標電流値ＩＴＡＧとして算出される。図７の曲線Ｂは予め求められており、ＲＯＭ６２内に予め記憶されている。この場合、要求電力ＯＵＴＤが大きいほど、目標電流値ＩＴＡＧは大きくなる。図示されない別の実施例では、目標電流値ＩＴＡＧは、例えば、要求電力ＯＵＴＤの関数として予め求められており、テーブルの形でＲＯＭ６２内に予め記憶されている。なお、図７のハッチング部分の下側の面積（ＶＴＡＧ×ＩＴＡＧ）分の電力は、電動車両の駆動に使用されるか、又は、蓄電器１４に蓄えられる。

続いて、決定された目標電流値ＩＴＡＧに基づいて、必要となる燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量、すなわち目標燃料ガス流量及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸが決定される。ただし、目標酸化剤ガス流量については、必要な酸化剤ガス流量に予め設定されたエアストイキ比をかけて求められる。

続いて、決定された目標酸化剤ガス流量ＱＯＸに基づいて、ターボコンプレッサ４４での酸化剤ガスを吐出するときの目標圧力比Ｐｒが決定される。ここで、目標圧力比Ｐｒは、例えば、目標酸化剤ガス流量ＱＯＸの関数として求めることができる。図８は、ターボコンプレッサ４４の特性の一例を示し、図２のターボコンプレッサ４４の作動可能領域ＷＡＴを具体的に示している。酸化剤ガス流量が目標酸化剤ガス流量ＱＯＸの場合、目標圧力比Ｐｒは、ターボコンプレッサ４４の作動可能領域ＷＡＴ内におけるできるだけ高い圧力比となるように決定される。この図の例では、作動可能領域ＷＡＴの低流量側の境界、すなわちターボコンプレッサ４４がサージングを起こす境界を示すサージラインＳＣの近傍に目標圧力比Ｐｒが設定される。このようにして、ターボコンプレッサ４４の動作点Ｅａ（ＱＯＸ、Ｐｒ）が決定される。図８のグラフは予め求められており、ＲＯＭ６２内に予め記憶されている。

続いて、酸化ガス流量及び圧力比がそれぞれ目標酸化剤ガス流量ＱＯＸ及び目標圧力比Ｐｒとなるように、ターボコンプレッサ４４の回転数が制御されると共に、カソードオフガス調圧弁４７の弁の開度が制御される。そして、燃料電池スタック１０の温度、例えば温度センサ７２で示される冷却水の温度ＴＸが予め設定された閾値温度ＴＸ０以上になるまで暖機運転が続けられる。閾値温度ＴＸ０としては６０℃が例示される。

また、暖機運転では、燃料電池スタック１０のカソード極側でフラッディングが発生している必要がある。フラッディングが発生していると、出力電圧が継続的に増えたり減ったりする出力電圧の変動（揺らぎ）が観測される。したがって、フラッディングが発生しているか否かの判別は、その出力電圧変動が観測されるか否かで判別する。具体的には、図９に示すように、出力電圧の変動幅ΔＶが予め設定された閾値電圧幅ΔＶ０を超えれば、フラッディングが発生していると判別する。予め設定された閾値電圧幅ΔＶ０としては、フラッディングが発生しない条件で燃料電池スタック１０を発電したときの出力電圧の変動幅ΔＶ１を計測し、その変動幅ΔＶ１をそのまま閾値電圧幅ΔＶ０とするか、又は、その変動幅ΔＶ１に安全率（フラッディングの誤判定防止のため）を掛けた値を閾値電圧幅ΔＶ０とする。フラッディングが発生していない場合には、フラッディングが発生するように、例えば、酸化剤ガス流量を所定量だけ増やす、酸化剤ガス圧力比をサージングが発生しない範囲で所定量だけ高める、及び、出力電流を所定量だけ増やす、のうちの少なくとも一つを実行する制御が行われる。

図１０は図１の燃料電池システムＡにおける暖機運転制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間ごとの割り込みによって実行される。
図１０を参照すると、ステップ１００では外気の温度Ｔが予め設定された閾値温度Ｔ０より低いか否かが判別される。温度Ｔ≧閾値温度Ｔ０のときにはプロセスは終了する。温度Ｔ＜閾値温度Ｔ０のときにはステップ１０１に進み、温度Ｔに基づいて、図６に示されるテーブルを参照して、要求電力ＯＵＴＤが決定される。次いでステップ１０２では要求電力ＯＵＴＤ及び図７に示される曲線Ｂに基づいて、目標電流値ＩＴＡＧが算出される。続いてステップ１０３では目標電流値ＩＴＡＧ及び予め設定されたエアストイキ比に基づいて、目標燃料ガス流量及び目標酸化剤ガス流量ＱＯＸが決定される。次いでステップ１０４では目標酸化剤ガス流量ＱＯＸ及び図８に示されるグラフに基づいて、目標圧力比Ｐｒを決定する。続いてステップ１０５では目標酸化剤ガス流量ＱＯＸに基づいて、ターボコンプレッサ４４から吐出される酸化剤ガスの流量が制御される。次いでステップ１０６では目標圧力比Ｐｒに基づいて、カソードオフガス調圧弁４７が制御される。続いてステップ１０７では燃料電池スタック１０でフラッディングが発生していること、すなわち出力電圧の変動幅ΔＶが閾値電圧幅ΔＶ０を超えることが確認される。フラッディングが発生していない場合には、フラッディングが発生するように、酸化剤ガス流量、酸化剤ガス圧力比及び出力電流のうちの少なくとも一つを所定量だけ増やす制御が行われる。次いでステップ１０８では燃料電池スタック１０の冷却水の温度ＴＸが予め設定された閾値温度ＴＸ０より高いか否かが判別される。その後、温度ＴＸ≧閾値温度ＴＸ０となるまで、ステップ１０１〜１０７が繰り返される。

以上のように、図１に示される実施例では、燃料電池システムの構成を簡略化しつつ、暖機運転することが可能となる。また、燃料電池システムにかかるコストを低減できる。更に、燃料電池システムに必要な設置スペースを減少できる。加えて、燃料電池システムのメンテナンスにかかる手間を低減できる。

なお、燃料電池システムの暖気運転に関しては、燃料電池スタックの冷却水供給管に電気ヒータを搭載し、冷却水を温めることで、燃料電池スタックの温度を高くするという従来技術も知られている。しかし、この従来技術では、電気ヒータの搭載が必要であり、搭載スペースが必要であり、コストも増加する。また、冷却水全体を加熱する必要があり、必要な熱量が大きく、暖機完了までの時間がかかる、又は、暖機完了までの時間を短縮するには大型の電気ヒータが必要となる。一方、図１に示される実施例では、電気ヒータが不要であり、フラッディングのときに生成される水分の量は、冷却水の量と比較して極めて少ないので、暖機完了までの時間を短縮できる。

Ａ燃料電池システム
１０燃料電池スタック
４１酸化剤ガス供給管
４４ターボコンプレッサ
４６カソードオフガス管
４７カソードオフガス調圧弁

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結された酸化剤ガス供給管と、
前記酸化剤ガス供給管内に配置され、酸化剤ガスを圧送するターボコンプレッサと、
前記酸化剤ガス通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管内に配置され、前記酸化剤ガス通路の圧力を調整するカソードオフガス調圧弁と、
を備え、
前記ターボコンプレッサから前記酸化剤ガス供給管へ供給される酸化剤ガスの全量が前記酸化剤ガス通路の入口へ供給され、
暖機運転時に、フラッディングが発生するように前記酸化剤ガスの流量及び圧力を制御し、フラッディングが発生しないときと比較して前記燃料電池スタックが発生する熱量を増加させる
燃料電池システム。