JP2021026856A - 燃料電池の暖機システム - Google Patents

Abstract

【課題】より小型、より省電力な熱源で燃料電池を効率的に暖機可能な燃料電池の暖機システムを提案する。【解決手段】燃料電池３の暖機システム１は、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池３と、燃料電池３へ酸化剤ガスとしての空気を供給する圧縮機２３と、燃料電池３へ供給される空気の供給量を変化させる弁体２１を有する弁２２と、弁体２１に設けられて燃料電池３へ供給される空気を加熱可能な熱源２７と、燃料電池３の発電量を制御する制御部１１と、を備え、制御部１１は、燃料電池３の暖機条件が成立している場合には、熱源２７を加熱し、かつ弁の開度を絞る。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の暖機システムに関する。

燃料電池スタックに熱交換器を取り付け、エアーコンプレッサーで空気を断熱圧縮して昇温し、昇温された空気を熱交換器に供給して燃料電池スタックを暖機する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２３８６２８号公報

周囲温度が零下に達するような環境下では、空気の断熱圧縮による温度上昇では、燃料電池の暖機および燃料電池内で凍結した水分の解凍が不十分になる虞がある。

一方、燃料電池にヒーターを取り付け、ヒーターを発熱させることで燃料電池を暖機する燃料電池システムが知られている。

しかしながら、燃料電池にヒーターを取り付ける、従来の燃料電池システムでは、燃料電池を効率的に温めるために、相応のサイズのヒーターと、相応の消費電力を有する。

そこで、本発明は、より小型、より省電力な熱源で燃料電池を効率的に暖機可能な燃料電池の暖機システムを提案することを目的とする。

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池の暖機システムは、

本発明によれば、より小型、より省電力なヒーターで燃料電池を効率的に暖機可能な燃料電池の暖機システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る暖機システムが適用される燃料電池システムの構成図。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける圧縮機のコンプレッサーマップ。 本発明の実施形態に係る燃料電池の暖機システムが実行する暖機運転制御のアルゴリズムの一例を表現するフローチャート。 本発明の実施形態に係る燃料電池の暖機システムが実行する暖機運転制御における圧縮機の必要吐出流量と目標回転数との関係を表すコンプレッサーマップ。 本発明の実施形態に係る暖機システムの弁の開度の状態を例示する図。

本発明に係る燃料電池の暖機システムの実施形態について図１から図５を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施形態に係る暖機システムが適用される燃料電池システムの構成図である。

本実施形態に係る燃料電池の暖機システム１は、燃料電池システム２を暖機運転して燃料電池３を暖機する。

先ず、本実施形態に係る燃料電池システム２は、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池３と、燃料電池３へ酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給通路５と、燃料電池３から発電反応に使用された空気を排出する空気排出通路６と、燃料ガスとしての水素を貯蔵する貯槽７と、貯槽７から燃料電池３に水素を供給する水素供給通路８と、燃料電池３から排出された水素を水素供給通路８に送り込んで再び燃料電池３に供給する水素循環通路９と、燃料電池システム２の運転を制御する制御部１１と、を備えている。

燃料電池システム２は、燃料電池３で発電した電力を負荷１０１へ供給する。例えば、燃料電池システム２が車両に搭載される場合には、負荷１０１は、駆動輪を駆動させるモーター１０２を含む。モーター１０２は、インバーター１０３を介して燃料電池３に接続される。この車両が、燃料電池システム２に並列に接続される電池１０５を備えている場合には、負荷１０１が要求する電力は、燃料電池システム２と電池１０５とで分担される。このような車両では、制御部１１は、燃料電池システム２と電池１０５との出力配分を演算できることが好ましい。また、電池１０５は、蓄電池、例えばリチウムイオン電池である。

燃料電池３は、積層された多数の燃料電池セルを備えている。そのため、燃料電池３は、燃料電池スタックとも呼ばれる。燃料電池３は、燃料電池セルを最小単位とし、この燃料電池セルを数十から数百積層した燃料電池スタックとして使用される。

燃料電池３は、積層された複数の燃料電池セルと、積層された燃料電池セルを両方の外側から挟む一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを燃料電池セルの積層体に固定する締結部材と、を備えている。

それぞれの燃料電池セルは、燃料極（負極）、固体高分子膜（電解質）、空気極（正極）を一体化した膜電極接合体（(Membrane Electrode Assembly、MEA）と、膜電極接合体を表裏から挟む一対のセパレーターと、を備えている。セパレーターは、反応ガスの供給路を有している。

それぞれの燃料電池セルには、反応ガスとして酸化剤ガスと燃料ガスとが供給される。これら、酸化剤ガスと燃料ガスとが膜電極接合体を挟んで反応してそれぞれの燃料電池セルに電圧が生じる。それぞれの燃料電池セルに生じた電圧の総和が燃料電池３の出力電圧である。

空気供給通路５には、燃料電池３へ供給される空気の供給量を変化させる弁体２１を有する弁２２と、燃料電池３へ酸化剤ガスとしての空気を供給する圧縮機２３と、圧縮機２３で圧縮されて高温になった空気を冷却するインタークーラー２５と、インタークーラー２５の上流で空気供給通路５から分岐しインタークーラー２５の下流で空気供給通路５に合流するバイパス回路２６と、弁体２１に設けられて燃料電池３へ供給される空気を加熱可能な熱源２７と、が設けられている。

弁２２、圧縮機２３、インタークーラー２５は、空気供給通路５の上流側から下流側へ順番に並んでいる。

弁２２は、例えばバタフライバルブである。弁２２の開度の変化は、圧縮機２３に吸い込まれる空気の流量を変化させる。弁２２が全閉状態の場合には、圧縮機２３への空気の流入が阻害される。弁２２が全開状態の場合には、圧縮機２３に流れ込む空気の流量は最大化する。弁２２の開度が全開状態よりも小さく、全閉よりも大きい場合には、圧縮機２３に流れ込む空気の流量は絞られる。

圧縮機２３は、吸い込んだ空気を圧縮して空気供給通路５に送り込む。圧縮機２３はターボ形である。

インタークーラー２５は、圧縮機２３によって圧縮された空気の温度が燃料電池３に供給するには高温すぎる場合には、圧縮機２３によって圧縮された空気を冷却する。

バイパス回路２６は、圧縮機２３から吐出されて燃料電池３へ向かう空気のうち、インタークーラー２５を通過する空気の分配量と、インタークーラー２５を通過せずに迂回する空気の分配量と、を変化させる。そうすることで、バイパス回路２６は、燃料電池３に供給される空気の温度を、燃料電池セルの発電反応が効率的に起きる適正な温度範囲に入るよう調整する。バイパス回路２６は、バイパス回路２６を通過してインタークーラー２５を迂回する空気の分配量を変化させ、その結果、インタークーラー２５を通過する空気の分配量を変化させる迂回量調整弁２８を備えている。

熱源２７は、例えば電気ヒーターや、シーズヒーターである。熱源２７は、弁２２を閉じた状態で弁２２の上流側を臨む弁体２１の面２１ａ（これを、「上流面２１ａ」と呼ぶ。）に設けられている。つまり、弁２２を開くと、弁２２内の流路を流れる空気は、弁体２１の上流面２１ａに接して加熱される。弁２２の開度が小さく、全閉状態に近づくほど、弁２２内の空気流に対する弁体２１の迎え角は大きい。そのため、弁２２内を流れる空気は、弁２２の圧力損失によって弁２２を通り抜けにくくなり、かつ迎え角の大きく、熱源２７によって加熱された弁体２１によって、暖められる。弁２２の開度が大きくなり全開状態に近づくほど、弁２２内の空気流に対する弁体２１の迎え角が小さくなる。そうすると、弁２２内を流れる空気は、弁２２を通り抜け易くなり、かつ迎え角が小さい弁体２１による熱的な影響が弱められる。弁体２１自体が熱源２７であっても良い。

空気排出通路６には、調圧バルブ３１が設けられている。調圧バルブ３１は、燃料電池３の排気側の圧力損失を変化させて燃料電池３に流れる空気の流量を変化させることができる。

水素供給通路８には、貯槽７に貯留されている水素ガスの圧力を燃料電池３の燃料ガスとして適合する圧力に降圧させる調圧弁（図示省略）が設けられている。貯槽７に貯留されている水素ガスは、調圧弁によって降圧されて燃料電池３へ供給される。

水素循環通路９は、水素供給通路８の調圧弁よりも下流側で水素供給通路８に合流する。水素循環通路９には、逆止弁付の水素循環ポンプ３５が設けられている。水素循環ポンプ３５を運転することで、燃料電池３から排出された水素が水素供給通路８に送り込まれ、再び燃料電池３に供給される。

空気供給通路５から燃料電池３に供給された空気は、積層された複数の燃料電池セルのそれぞれが有するカソード側の供給路に分配される。分配された空気は、それぞれの膜電極接合体のカソード側の面内を伝って流れた後、空気排出通路６へ排出される。

水素供給通路８から燃料電池３に供給された水素は、積層された複数の燃料電池セルのそれぞれが有するアノード側の供給路に分配される。分配された水素は、それぞれの膜電極接合体のアノード側の面内を伝って流れた後、水素循環通路９へ排出される。

制御部１１は、いわゆるECM（Engine Control Module）である。制御部１１は、信号線４１を介して燃料電池３、弁２２、圧縮機２３、迂回量調整弁２８、調圧バルブ３１、および水素循環ポンプ３５に接続されている。制御部１１は、これら燃料電池３、弁２２、圧縮機２３、迂回量調整弁２８、調圧バルブ３１、および水素循環ポンプ３５の運転を制御し、または運転の指令を下す。制御部１１は、負荷１０１の運転制御を含んでいても良い。

制御部１１は、例えば中央処理装置（Central Processing Unit、ＣＰＵ、図示省略）、中央処理装置で実行（処理）される各種演算プログラム、パラメータなどを記憶する補助記憶装置（例えば、Read Only Memory、ＲＯＭ、図示省略）、プログラムの作業領域が動的に確保される主記憶装置（例えば、Random Access Memory、ＲＡＭ、図示省略）を備えている。

燃料電池システム２は、酸化剤ガスである空気の吸気および排気と、燃料ガスである水素の受け入れ、供給、および循環と、燃料電池３、弁２２、圧縮機２３、迂回量調整弁２８、調圧バルブ３１、および水素循環ポンプ３５の運転制御に要する種々のセンサーを備えている。制御部１１は、これら種々のセンサーから取得する情報に基づいて燃料電池システム２の運転を制御し、負荷１０１へ電力を供給する。

これら種々のセンサーは、例えば、圧縮機２３が吐出す空気の流量を検出する吐出流量センサー４２、圧縮機２３の回転数を検出する回転数センサー４３、圧縮機２３の吸込側の圧力を検出する第一圧力センサー４５、および圧縮機２３の吐出側の圧力を検出する第二圧力センサー４６、を含んでいる。

また、制御部１１は、燃料電池３の暖機条件が成立している場合には、燃料電池システム２を暖機運転させる暖機運転制御機能５１を有している。暖機運転制御機能５１は、演算プログラムである。

さらに、制御部１１は、圧縮機２３の吐出流量と、圧縮機２３の吸込側圧力と吐出側圧力との圧力比と、の関係で表現されるマップ、いわゆるコンプレッサーマップを記憶する記憶部５２を備えている。

ここで先ず、制御部１１の記憶部５２に記憶されるコンプレッサーマップについて説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける圧縮機のコンプレッサーマップである。

図２に示すように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム２における圧縮機２３のコンプレッサーマップＭは、圧縮機２３の吐出流量Ｑ（以下、単に「吐出流量Ｑ」と言う。）と、圧縮機２３の吸込側圧力と吐出側圧力との圧力比Ｒ（以下、単に「圧力比Ｒ」と言う。）と、の関係で表現される。コンプレッサーマップＭは、横軸を吐出流量Ｑとし、縦軸を圧力比Ｒとする、直交する２つの軸を有するグラフで視覚的に表現することができる。

そして、コンプレッサーマップＭは、圧縮機２３にサージングが発生する領域Ａ１とサージングが発生しない領域Ａ２とを分けるサージ限界線αを有している。

サージングの発生する吐出流量Ｑは、圧縮機２３の回転数Ｎに応じて変化する。圧縮機２３をある回転数Ｎで運転している際に、コンプレッサーマップ上でサージングの発生する吐出流量に対応する点をサージ限界点と呼び、圧縮機２３の回転数Ｎに応じて変化する各サージ限界点を結んだ曲線がサージ限界線αで表現される。

サージ限界線αよりも小流量側（図２の左側）の領域Ａ１は、サージングの発生するサージング領域である。サージ限界線αよりも大流量側（図２の右側）の領域Ａ２は、サージングの発生しない安定領域である。

また、コンプレッサーマップＭは、サージングが発生しない領域Ａ２で吐出流量Ｑと圧力比Ｒとの関係を表現する暖機運転線βを有している。暖機運転線βは、サージ限界線αよりも大流量側に設定される。暖機運転線βは、サージ限界線αを大流量側に並行移動させたものであっても良いし、圧縮機２３の回転数Ｎ毎に異なるマージン（サージ限界線αからの離間距離）を有していても良い。ある回転数Ｎにおいて圧縮機２３の運転点が暖機運転線β上にあれば、サージングを防ぐことができるよう設定される。

なお、圧縮機２３の運転点とは、運転中の圧縮機２３の吐出流量Ｑ、および圧力比Ｒであって、吐出流量センサー４２、第一圧力センサー４５、および第二圧力センサー４６の検知結果に基づく。

また、コンプレッサーマップＭにおいて、吐出流量Ｑが暖機運転線βより大きい領域を第一制御領域ＣＡ１とし、サージ限界線αと暖機運転線βとの間に挟まれる領域を第二制御領域ＣＡ２とする。

さらに、コンプレッサーマップＭに記載されている曲線Ｎ１、Ｎ２、…………は、圧縮機２３の回転数Ｎに応じている。コンプレッサーマップＭの原点に近い曲線Ｎ１よりも原点から遠い曲線Ｎ２のほうが高い回転数を表している。それぞれの曲線Ｎ１、Ｎ２、…………とサージ限界線αとの交点が、それぞれの曲線Ｎ１、Ｎ２、…………で表される回転数におけるサージ限界点である。

ところで、燃料電池セルの発電反応には、発電反応が効率的に起きる適正な温度範囲がある。この適正温度範囲は常温よりも高い。そこで、燃料電池３の暖機システム１は、燃料電池３の冷間始動時には燃料電池セルの温度を速やかに上昇させるために燃料電池システム２を暖機運転させる。暖機システム１は、燃料電池システム２を暖機運転させて燃料電池３を暖機する。暖機運転制御機能５１で処理される燃料電池システム２の暖機運転の制御を、「暖機運転制御」と呼ぶ。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池の暖機システムが実行する暖機運転制御のアルゴリズムの一例を表現するフローチャートである。

図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池の暖機システムが実行する暖機運転制御における圧縮機の必要吐出流量と目標回転数との関係を表すコンプレッサーマップである。

図５Ａから図５Ｃは、本発明の実施形態に係る暖機システムの弁の開度を例示する図である。図５Ａは、弁２２の開度が零パーセント、つまり全閉の状態を例示する。図５Ｂは、弁２２の開度が５０パーセントの状態を例示する。図５Ｃは、弁２２の開度が１００パーセント、つまり全開の状態を例示する。

図３に示すように、本実施形態に係る暖機システム１の暖機運転制御機能５１は、燃料電池３の暖機条件が成立している場合には、熱源２７を加熱し、かつ弁２２の開度を絞って燃料電池システム２を暖機運転させる。

また、暖機運転制御機能５１は、暖機運転線βに沿うよう、圧縮機２３の回転数Ｎを変更し、または弁２２の開度を増加させ、かつ圧縮機２３の回転数Ｎを変更して燃料電池３を暖機運転する。

さらに、暖機運転制御機能５１は、圧縮機２３の運転点が第一制御領域ＣＡ１に位置する場合には、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ圧縮機２３の運転点が暖機運転線βに沿うよう圧縮機２３の回転数Ｎを変更する。

また、暖機運転制御機能５１は、圧縮機２３の運転点が第二制御領域ＣＡ２に位置する場合には、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ圧縮機２３の運転点が暖機運転線βに沿うよう弁２２の開度を増加させ、圧縮機２３の回転数Ｎを減少させる。

具体的には、暖機運転制御機能５１は、燃料電池３の暖機条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ１）。燃料電池３の暖機条件は、例えば燃料電池３の温度に基づいて判断される。燃料電池３の暖機条件の判断の閾値は、燃料電池３内で水分が凍結していることが予想される温度や、圧縮機２３で断熱圧縮された空気では燃料電池セルを発電反応に適正な温度範囲まで加熱できないと予測される温度、例えば零度に設定される。燃料電池３の暖機条件は、燃料電池３の温度が閾値以下に低下していれば成立する（ステップＳ１ Ｙｅｓ）。なお、燃料電池３の暖機条件が不成立の場合には、ステップＳ１の判断が繰り返される。

燃料電池３の暖機条件が成立した場合（ステップＳ１ Ｙｅｓ）には、暖機運転制御機能５１は、全閉されている弁２２を初期弁開度で開く（ステップＳ２）。初期弁開度は、予め設定される弁開度であって、零パーセント（全閉、図５Ａ）より大きく、１００パーセント（全開、図５Ｃ）より小さい。初期弁開度は、例えば５０パーセント（図５Ｂ）に設定される。なお、図５Ｂから図５Ｃには、圧縮機２３へ吸い込まれる空気の流れを実線矢印ｆで示す。

このとき、弁体２１に設けられた熱源２７に電力が供給されて、熱源２７が発熱する。発熱した熱源２７は、弁体２１の周囲の空気、および弁体２１の周囲を流れる空気を加熱する（ステップＳ２）。

このように、弁体２１に熱源２７を備える暖機システム１は、弁２２の開度を絞ることによって弁２２の圧力損失を増加させ、弁体２１に設けられた熱源２７による弁２２を通過する空気の加熱効率を高め、燃料電池３の暖気を促進する。

このとき、暖機運転制御機能５１は、迂回量調整弁２８を全開状態にしてバイパス回路２６に流れる空気の流量を最大化させておくことが好ましい。また、インタークーラー２５の運転を停止させておいても良い。また、暖機運転制御機能５１は、空気排出通路６の調圧バルブ３１を少なくとも開き、全開状態にしておくことが好ましい。

さらに、燃料電池システム２は、インタークーラー２５の吸気側、またはインタークーラー２５の吸気側および排気側の両方にインタークーラー２５へ導入される吸気量を抑制するバルブ（図示省略）を備えていても良い。また、インタークーラー２５に冷媒、例えば冷却水を循環させるポンプ（図示省略）や、冷媒を冷却するためにインタークーラー２５へ冷却用の空気を通風させるファン（図示省略）を停止させてもよい。これらによって、インタークーラー２５における損失が低減される。

制御部１１は、負荷１０１が暖機運転の燃料電池３に要求する電力を演算する（ステップＳ３）。負荷１０１が要求する電力は、例えば、燃料電池システム２が車両に搭載される場合には、車両のアクセルの操作量に基づいて演算される。燃料電池システム２に並列に接続される電池１０５を備える車両では、負荷１０１が要求する電力は、燃料電池システム２と電池１０５とで分担される。制御部１１は、燃料電池３が発電可能な電力を算出し、この算出結果に基づいて燃料電池３が分担する電力を決定する。

そして、暖機運転制御機能５１は、燃料電池３が負荷１０１へ供給する電力（例えば、燃料電池３が分担する電力）に基づいて、燃料電池３へ供給する空気の流量、つまり圧縮機２３の必要吐出流量ＤＱを演算する（ステップＳ４）。また、暖機運転制御機能５１は、必要吐出流量ＤＱを達成可能な圧縮機２３の目標回転数Ｎｔを演算する（ステップＳ５）。この目標回転数Ｎｔは、図４に示すように、コンプレッサーマップＭに基づいて演算される。目標回転数Ｎｔは、コンプレッサーマップＭにおいて、必要吐出流量ＤＱを横軸の切片とする垂線ＤＱと暖機運転線βとの交点ＩＰｔを通る回転数（曲線Ｎｔ）として算出される。

次いで、暖機運転制御機能５１は、圧縮機２３を目標回転数Ｎｔで運転する（ステップＳ６）。

ところで、圧縮機２３を目標回転数Ｎｔで運転した場合であっても、空気の温度の高低、つまり空気密度の高低や、圧縮機２３の吸込側に設けられた弁２２の弁開度が絞られていることなどを理由に、吐出流量センサー４２で検出される圧縮機２３の吐出流量が必要吐出流量ＤＱと異なる場合がある。そこで、暖機運転制御機能５１は、圧縮機２３の吐出流量が必要吐出流量ＤＱに達するように、圧縮機２３の回転数Ｎを変更する（ステップＳ７）。そうすると、圧縮機２３の運転点は、暖機運転線βの右側の第一制御領域ＣＡ１、または左側の第二制御領域ＣＡ２に位置する場合がある。

そこで、暖機運転制御機能５１は、吐出流量センサー４２、第一圧力センサー４５、および第二圧力センサー４６の検知結果に基づいて、実際の運転点（実際の吐出流量Ｑ、実際の圧力比Ｒ）が第一制御領域ＣＡ１に位置しているのか（ステップＳ８）、左側の第二制御領域ＣＡ２に位置しているのか（ステップＳ１０）、を判断する。

先ず、暖機運転制御機能５１は、実際の運転点が第一制御領域ＣＡ１に位置しているのか否かを判断する（ステップＳ８）。

ステップＳ８の判断が肯定された場合、つまり実際の運転点が第一制御領域ＣＡ１に位置している場合（ステップＳ８ Ｙｅｓ）には、暖機運転制御機能５１は、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ運転点が暖機運転線βに沿うよう圧縮機２３の回転数Ｎを新たな目標回転数Ｎｔ＿Ｎｅｗに変更する（ステップＳ９）。なお、「燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たす」とは、圧縮機２３の吐出流量Ｑが必要吐出流量ＤＱ以上であることを意味している。また、ステップＳ９では、弁２２の開度は変更されずに維持される。

例えば、実際の運転点ＤＰ’が、図４に示すように交点ＩＰｔから離れて第一制御領域ＣＡ１に位置する場合には、暖機運転制御機能５１は、圧縮機２３の運転点が新たな交点ＩＰ’＿Ｎｅｗに位置するよう、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ運転点が暖機運転線βに沿うよう圧縮機２３の回転数Ｎを新たな目標回転数Ｎｔ’＿Ｎｅｗに変更させる。

ステップＳ８の判断が否定された場合、つまり実際の運転点が第一制御領域ＣＡ１に位置していない場合（ステップＳ８ Ｎｏ）には、暖機運転制御機能５１は、実際の運転点が第二制御領域ＣＡ２に位置しているのか否かを判断する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０の判断が肯定された場合、つまり実際の運転点が第二制御領域ＣＡ２に位置している場合（ステップＳ１０ Ｙｅｓ）には、暖機運転制御機能５１は、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ運転点が暖機運転線βに沿うよう弁２２の開度を増加させ、圧縮機２３の回転数Ｎを新たな目標回転数Ｎｔ＿Ｎｅｗに減少させる（ステップＳ１１）。

例えば、実際の運転点ＤＰが、図４に示すように交点ＩＰｔから離れて第二制御領域ＣＡ２に位置する場合には、暖機運転制御機能５１は、圧縮機２３の運転点が新たな交点ＩＰ＿Ｎｅｗに位置するよう、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ運転点が暖機運転線βに沿うよう弁２２の開度を増加させ、圧縮機２３の回転数Ｎを新たな目標回転数Ｎｔ＿Ｎｅｗに減少させる。

ステップＳ１０の判断が否定された場合、つまり実際の運転点が第一制御領域ＣＡ１にも第二制御領域ＣＡ２にも位置せず、暖機運転線βに沿っている（ステップＳ８ Ｎｏ、およびステップＳ１０ Ｎｏ）、ステップＳ９の処理が実行された、およびステップＳ１１の処理が実行された、のいずれかの場合には、暖機運転制御機能５１は、暖機完了条件が満たされているか否かを判断する（ステップＳ１２）。燃料電池３の暖機完了条件は、例えば燃料電池３の温度に基づいて判断される。燃料電池３の暖機完了条件の判断の閾値は、燃料電池３の燃料電池セルが発電反応を効率的に生じさせる適正な温度範囲に設定される。燃料電池３の暖機完了条件は、燃料電池３の温度が適正な温度範囲に達していれば成立する（ステップＳ１２ Ｙｅｓ）。燃料電池３の暖機完了条件が不成立（ステップＳ１２ Ｎｏ）の場合には、ステップＳ３に戻って暖機運転制御が繰り返される。

なお、ステップＳ９における運転点の調整およびステップＳ１１における運転点の調整は、必ずしも図４に示すように暖機運転線βに沿うとは限らない。例えば、ステップＳ９における運転点の調整の結果、実際の運転点が、第一制御領域ＣＡ１から第二制御領域ＣＡ２へ移動することもあるし、ステップＳ１１における運転点の調整の結果、実際の運転点が、第二制御領域ＣＡ２から第一制御領域ＣＡ１へ移動することもある。そのため、暖機運転制御機能５１は、燃料電池３の暖機完了条件が不成立（ステップＳ１２ Ｎｏ）の場合には、ステップＳ３に戻ってステップＳ９における運転点の調整、またはステップＳ１１における運転点の調整を繰り返して実際の運転点を暖機運転線β上へ調整する。

燃料電池３の温度が適正な温度範囲に達すると（ステップＳ１２ Ｙｅｓ）、暖機運転制御機能５１は、弁体２１を全開させ、熱源２７の電源を遮断して暖機完了処理（ステップＳ１３）を行い、暖機運転制御を終了させる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池３の暖機システム１は、燃料電池３の暖機条件が成立している場合には、熱源２７を加熱し、かつ弁２２の開度を絞る。そのため、暖機システム１は、圧縮機２３の断熱圧縮による空気の温度上昇に加えて、弁体２１に設けられている熱源２７で圧縮機２３に吸い込まれる空気を加熱できる。また、暖機システム１は、弁２２の開度を絞って空気と熱源２７との熱交換を促進することができる。つまり、暖機システム１は、熱源２７を有する弁体２１で圧縮機２３に吸い込まれる空気を加熱して燃料電池３の暖機を促進させることができる。これら弁体２１に設けられる熱源２７により圧縮機２３に吸い込まれる空気の昇温と、圧縮機２３の断熱圧縮による空気の昇温との相乗的な作用は、燃料電池３をヒーターで直接的に温める従来の燃料電池システムに比べて、より小型、より省電力な熱源２７で圧縮機２３に吸い込まれる空気を容易に加熱することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池３の暖機システム１は、暖機運転線βに沿うよう燃料電池３を暖機運転する。暖機システム１は、圧縮機２３の吸込側に設けられる弁２２の開度を絞って圧縮機２３を運転する。このことは、圧縮機２３の吸込側の圧力を低下させ、圧縮機２３の吐出側の圧力との圧力比Ｒの上昇を誘起する。そこで、暖機システム１は、暖機運転線βに沿うよう燃料電池３の暖機運転を行うことで、圧縮機２３のサージングを防止しつつ、熱源２７を有する弁体２１による空気の加熱作用と、圧縮機２３の断熱圧縮による空気の加熱作用とを相乗させて燃料電池３の暖機を促進することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池３の暖機システム１は、圧縮機２３の運転点が暖機運転線βより大流量側の第一制御領域ＣＡ１に位置する場合には、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ圧縮機２３の運転点が暖機運転線βに沿うよう圧縮機２３回転数を変更する。第一制御領域ＣＡ１は暖機運転線βよりもサージ限界線αから離れている。つまり、圧縮機２３の運転点が第一制御領域ＣＡ１に位置する場合には、サージングの発生の可能性は極めて低い。そのため、暖機システム１は、圧縮機２３回転数を変更することで、断熱圧縮による空気の昇温効果をより増加させて、燃料電池３の暖機を促進することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池３の暖機システム１は、圧縮機２３の運転点が第二制御領域ＣＡ２に位置する場合には、燃料電池３の目標出力より決定される必要吐出流量ＤＱを満たし、かつ圧縮機２３の運転点が暖機運転線βに沿うよう弁２２の開度を増加させ、圧縮機２３の回転数を減少させる。第二制御領域ＣＡ２は暖機運転線βよりもサージ限界線αに近い。つまり、圧縮機２３の運転点が第二制御領域ＣＡ２に位置する場合には、サージングの発生の可能性が高まる。そのため、暖機システム１は、弁２２の開度を増加させて圧力比Ｒの低減を促し、かつ圧縮機２３の回転数Ｎを低下させてサージングの発生を防ぐことができる。

したがって、本発明に係る燃料電池３の暖機システム１によれば、より小型、より省電力な熱源２７で燃料電池３を効率的に暖機できる。

１…暖機システム、２…燃料電池システム、３…燃料電池、５…空気供給通路、６…空気排出通路、７…貯槽、８…水素供給通路、９…水素循環通路、１１…制御部、２１…弁体、２１ａ…弁体の上流側を臨む面（上流面）、２２…弁、２３…圧縮機、２５…インタークーラー、２６…バイパス回路、２７…熱源、２８…迂回量調整弁、３１…調圧バルブ、３５…水素循環ポンプ、４１…信号線、４２…吐出流量センサー、４３…回転数センサー、４５…第一圧力センサー、４６…第二圧力センサー、５１…暖機運転制御機能、５２…記憶部、１０１…負荷、１０２…モーター、１０３…インバーター、１０５…電池。

Claims (4)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池へ酸化剤ガスとしての空気を供給する圧縮機と、
   前記燃料電池へ供給される前記空気の供給量を変化させる弁体を有する弁と、
   前記弁体に設けられて前記燃料電池へ供給される前記空気を加熱可能な熱源と、
   前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の暖機条件が成立している場合には、前記熱源を加熱し、かつ前記弁の開度を絞る燃料電池の暖機システム。
2. 前記制御部は、
   前記圧縮機の吐出流量、および前記圧縮機の吸込側圧力と吐出側圧力との圧力比の関係において、前記圧縮機にサージングが発生する領域と前記サージングが発生しない領域とを分けるサージ限界線と、前記サージングが発生しない領域で前記吐出流量と前記圧力比との関係を記述する暖機運転線と、を記憶する記憶部を有し、
   前記暖機運転線に沿うよう前記前記圧縮機の回転数および前記弁の開度の少なくともいずれかを制御して前記燃料電池を暖機運転する請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
3. 運転中の前記圧縮機の吐出流量、および運転中の前記圧縮機の前記圧力比を前記圧縮機の運転点とし、
   前記吐出流量が前記暖機運転線より大きい領域を第一制御領域とすると、
   前記制御部は、前記運転点が前記第一制御領域に位置する場合には、前記燃料電池の目標出力より決定される必要吐出流量を満たし、かつ前記運転点が前記暖機運転線に沿うよう前記回転数を変更する請求項２に記載の燃料電池の暖機システム。
4. 運転中の前記圧縮機の吐出流量、および運転中の前記圧縮機の前記圧力比を前記圧縮機の運転点とし、
   前記サージ限界線と前記暖機運転線との間に挟まれる領域を第二制御領域とすると、
   前記制御部は、前記運転点が前記第二制御領域に位置する場合には、前記燃料電池の目標出力より決定される必要吐出流量を満たし、かつ前記運転点が前記暖機運転線に沿うよう前記開度を増加させ、前記回転数を減少させる請求項２または３に記載の燃料電池の暖機システム。

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