JP3879435B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の駆動源として用いられ、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電をする燃料電池を駆動する燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池を駆動するに際して空気及び／又は水素ガスの露点に対する燃料電池の温度を制御する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、発電源として、いわゆる燃料電池スタックを用いたものが知られている。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなる。このような燃料電池スタックを用いた燃料電池システムとしては、例えば特開平１０−２５５８２８号公報で開示されているものが知られている。
【０００３】
この特開平１０−２５５８２８号公報で開示されている燃料電池システムでは、酸化剤として空気、燃料として水素が供給されることにより、比較的低温で作動する固体高分子型燃料電池が説明されている。また、この従来の燃料電池システムでは、燃料電池に発電をさせるに際して、固体高分子電解質膜を十分に湿潤している状態に維持する必要があるために、燃料電池に供給する空気及び水素を純水を用いて加湿する動作をしていた。
【０００４】
また、この特開平１０−２５５８２８号公報で開示されている燃料電池システムでは、空気及び水素の加湿量を最適にするために、燃料電池スタックの運転状態、すなわち、供給ガス流量・供給ガス温度・電池負荷・電池内部温度に応じて、加湿器内部の純水噴射手段を制御していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の燃料電池システムでは、加湿用純水を噴射弁により霧化して空気及び水素を加湿しているために加湿器内で完全に水蒸気にはならず、目標とする露点、すなわち目標とする加湿状態に制御することが困難であった。
【０００６】
また、従来の燃料電池システムでは、加湿用純水を霧化して水蒸気にならなかった液滴の一部が、空気及び水素と共に燃料電池スタック内に流れて、燃料電池スタック内での水詰まりの原因となってしまう。
【０００７】
したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの性能を十分に発揮できない可能性があるという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池スタック内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池スタックの出力を安定して取り出すことができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る燃料電池システムでは、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、加湿用純水循環流路に加湿用純水を循環させて上記ガス供給手段により上記燃料電池に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿し、循環させる上記加湿用純水の流量を制御する加湿用純水流量制御手段を有するガス加湿手段と、冷却媒体循環流路に冷却媒体を循環させて上記燃料電池を冷却し、上記冷却媒体温度を制御する冷却媒体温度制御手段を有する燃料電池冷却手段と、上記燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する前の上記加湿用純水と、上記燃料電池を冷却した後の上記冷却媒体とを熱交換させ、熱交換させた上記加湿用純水で上記ガス加湿手段によって酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿させる熱交換手段と、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池温度を高くするように上記燃料電池冷却手段、又は、上記ガス加湿手段の少なくともいずれか一方を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記冷却媒体温度制御手段を制御して上記燃料電池温度を上昇又は低下させると共に、上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、上記熱交換手段で上記冷却媒体と熱交換される加湿用純水流量を増加又は減少させて、上記加湿用純水温度を低下又は上昇させて酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿させることによって、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低下又は上昇させる。
【００１０】
請求項２に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、上記燃料電池の冷却媒体入口での冷却媒体温度を、上記熱交換手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度又は上記ガス加湿手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度よりも高くするように上記燃料電池冷却手段を制御する。
【００１１】
請求項３に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池の発電量を検出する燃料電池発電量検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記燃料電池発電量検出手段で検出された発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して上記燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも低い場合には、冷却媒体の流量を減らすように上記燃料電池冷却手段を制御し、冷却媒体温度が、燃料電池システムをオーバーヒートとしない許容値以上の場合には、冷却媒体温度を低下させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御する。
【００１２】
請求項４に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池の発電量を検出する燃料電池発電量検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記燃料電池発電量検出手段で検出された発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して上記燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも高い場合には、冷却媒体の流量を増やすように上記燃料電池冷却手段を制御する。
【００１３】
請求項５に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池冷却手段は、上記燃料電池を冷却するために上記冷却媒体を冷却する冷却媒体放熱用ラジエータの冷却ファンを更に備え、上記制御手段は、上記冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、上記冷却ファンを駆動する制御をして、上記冷却媒体温度を低減させることによって上記燃料電池の温度を低下させる。
【００１４】
請求項６に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、上記冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、冷却媒体温度が上記許容温度以下になるまで冷却媒体流量を増加させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御して、冷却媒体温度を低くすることによって上記燃料電池の温度を低くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合には、加湿用純水流量を増加又は減少するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水温度を低下又は上昇させて上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低下又は上昇させて、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を目標範囲内にし、加湿用純水温度の低下又は上昇に応じて決定される上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くする。
【００１５】
請求項７に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも低い場合には、加湿用純水流量を増加させるように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を低くして上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差を目標値にすることで、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くさせる。
【００１６】
請求項８に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも高い場合には、加湿用純水流量を低減させるように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くして、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差を目標値にすることで、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くさせる。
【００１７】
請求項９に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には、加湿用純水流量の低減を中止するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くして、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以下の場合には、冷却媒体流量を増減させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御することによって、冷却媒体温度を高低させて上記燃料電池の温度を高低させる。
【００１８】
請求項１０に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には、加湿用純水の低減を中止するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くすることで上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くして、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以上の場合には、上記燃料電池の水詰まりに対する処理をする。
【００１９】
請求項１１に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池冷却手段は、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプを有する冷却媒体流量制御手段により、上記燃料電池、上記熱交換手段、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータを有する冷却媒体温度制御手段の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備える。
【００２０】
請求項１２に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池冷却手段は、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプからなる冷却媒体流量制御手段により、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータからなる冷却媒体温度制御手段、上記熱交換手段、上記燃料電池、の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備える。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池の温度を高くするので、燃料電池内での燃料ガス及び酸化剤ガス流路内の結露を防止して燃料電池内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池の出力を安定して取り出すことができる。また、燃料電池システムによれば、加湿用純水流量制御手段を制御して燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を制御すると共に、冷却媒体温度制御手段及び冷却媒体流量制御手段を制御して燃料電池の温度を制御して、燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池の温度を高くするので、システムを簡略化でき、更に、加湿用純水を冷却媒体で受熱させるので、暖機時間を短縮することができる。
【００２３】
請求項２に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の冷却媒体入口での冷却媒体温度を、熱交換手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度又はガス加湿手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度よりも高くするように燃料電池冷却手段を制御するので、冷却媒体の温度を調整するのみで、燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも燃料電池の温度を高くして、燃料電池内での燃料ガス及び酸化剤ガス流路内の結露を防止して燃料電池内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池の出力を安定して取り出すことができる、簡便なシステムを提供することができる。
【００２４】
請求項３に係る燃料電池システムによれば、発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも低い場合には、冷却媒体の流量を減らすように燃料電池冷却手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にできる、簡便なシステムを提供することができる。
【００２５】
請求項４に係る燃料電池システムによれば、発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との差が目標値よりも高い場合には、冷却媒体の流量を増やすように燃料電池冷却手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にできる、簡便なシステムを提供することができる。
【００２６】
請求項５に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、燃料電池冷却手段を構成する冷却媒体放熱用ラジエータの冷却ファンを駆動する制御をするので、冷却媒体の温度を制御するに際して、システムのオーバーヒートを抑制することができる。
【００２７】
請求項６に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、冷却媒体温度が許容温度以下になるまで冷却媒体流量を増加させるように燃料電池冷却手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水との温度差が目標範囲外である場合には加湿用純水流量を増減させるようにガス加湿手段を制御するので、システムのオーバーヒートを防ぐと共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００２８】
請求項７に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも低い場合には、加湿用純水流量を増加させるようにガス加湿手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００２９】
請求項８に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも高い場合には、加湿用純水流量を低減させるようにガス加湿手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００３０】
請求項９に係る燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止するようにガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以下の場合には、冷却媒体流量を増減させるように燃料電池冷却手段を制御するので、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿不足による燃料電池の性能劣化を防止することができると共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００３１】
請求項１０に係る燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止するようにガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以上の場合には、燃料電池の水詰まりに対する処理をするので、燃料電池の出力電圧の低下及びシステムのオーバーヒートを防止することができると共に、水詰まりに対する処理をするので燃料電池に安定した性能を発揮させることができる。
【００３２】
請求項１１に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプを有する冷却媒体流量制御手段により、燃料電池、熱交換手段、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータを有する冷却媒体温度制御手段の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備える燃料電池冷却手段を備えた構成を有しているので、燃料電池から受熱した暖かい冷却媒体が冷媒となるので、加湿用純水の暖機時間を短縮することができる。
【００３３】
請求項１２に係る燃料電池システムによれば、燃料電池冷却手段を、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプからなる冷却媒体流量制御手段により、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータからなる冷却媒体温度制御手段、上記熱交換手段、上記燃料電池、の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備えるものとしたので、熱交換器の性質を利用して、冷却媒体又は加湿用純水の流量を厳密かつ詳細に制御しなくても、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を冷却媒体温度以下にする機会を増やすことができ、更に簡便に、燃料電池の出力電圧を安定して取り出すことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３６】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００３７】
［燃料電池システムの構成］
図１に示す燃料電池システムは、水素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで燃料極（水素極）と酸化剤極（空気極）を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤ガス極側に酸化剤ガスとして空気が供給される共に、水素極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。
【００３８】
この燃料電池システムにおいて、コントロールユニット１０は、後述の各センサからのセンサ信号を入力して、センサ信号に従った処理をして、各部に制御信号を送出することにより、燃料電池スタック１の発電反応を制御する。
【００３９】
燃料電池システムは、燃料タンクに蓄えられた燃料ガスを、例えば調圧弁などで調圧し、加湿器２を介して燃料電池スタック１に供給する燃料ガス流路Ｌ１と、外部からの空気を、酸化剤ガスとして燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガス流路Ｌ２とを備える。
【００４０】
加湿器２は、例えばパイプ状に成形された半透膜内に純水を通過させる構成となっており、燃料ガス及び酸化剤ガスを半透膜と接触させることで、半透膜を介した燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿をする構成となっている。
【００４１】
この燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１からの酸化剤極側の排気ガスは水蒸気と液水とを含み、水分離器によって液水分と水蒸気とに分離され、液水分が加湿用純水タンク８に蓄えられ、水蒸気が外部に排出されるように構成されている。
【００４２】
燃料ガス流路Ｌ１には、加湿器２で加湿された燃料ガスの露点を検出する燃料ガス露点センサ１１と、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサ１２とを備える。燃料ガス露点センサ１１は検出した燃料ガス露点をセンサ信号としてコントロールユニット１０に出力すると共に、燃料ガス温度センサ１２は検出した燃料ガス温度Ｔ３０をコントロールユニット１０に出力する。
【００４３】
酸化剤ガス流路Ｌ２には、加湿器２で加湿された酸化剤ガスの露点を検出する酸化剤ガス露点センサ１３と、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度センサ１４とを備える。酸化剤ガス露点センサ１３は検出した酸化剤ガス露点をセンサ信号としてコントロールユニット１０に出力すると共に、酸化剤ガス温度センサ１４は検出した酸化剤ガス温度Ｔ２０をコントロールユニット１０に出力する。
【００４４】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路Ｌ３と、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び燃料ガスを加湿するための加湿用純水を循環させる加湿用純水循環流路Ｌ４とを更に備える。この冷却媒体循環流路Ｌ３及び加湿用純水循環流路Ｌ４には、冷却媒体と加湿用純水との間で熱交換をする熱交換器３が配設されている。
【００４５】
冷却媒体循環流路Ｌ３には、冷却媒体ポンプ４、燃料電池スタック１、熱交換器３、ラジエータ５、冷却媒体ポンプ４の順に冷却媒体が循環するように挿通され、ラジエータ５に冷風を吹き付けるラジエータ冷却ファン６がラジエータ５近傍に配設されると共に、冷却媒体を蓄える冷却媒体タンク７がラジエータ５に接続されている。
【００４６】
この燃料電池システムでは、冷却媒体ポンプ４を駆動することにより、冷却媒体を燃料電池スタック１内に流入させ、燃料電池スタック１からの冷却媒体を熱交換器３により加湿用純水循環流路Ｌ４の加湿用純水との間で熱交換をさせ、燃料電池スタック１の発熱により高温度となった冷却媒体をラジエータ５により冷却して再度、冷却媒体ポンプ４に循環させる。
【００４７】
また、冷却媒体循環流路Ｌ３には、燃料電池スタック１の冷却媒体入口における冷却媒体温度Ｔ１を検出する第１冷却媒体温度センサ１５と、燃料電池スタック１の冷却媒体出口における冷却媒体温度Ｔ２を検出する第２冷却媒体温度センサ１６とを備える。第１冷却媒体温度センサ１５は検出した冷却媒体温度Ｔ１をセンサ信号としてコントロールユニット１０に出力すると共に、第２冷却媒体温度センサ１６は検出した冷却媒体温度Ｔ２をコントロールユニット１０に出力する。
【００４８】
加湿用純水循環流路Ｌ４には、加湿用純水タンク８に蓄積された加湿用純水を加湿器２に導く加湿用純水ポンプ９と、熱交換器３とが配設され、加湿用純水ポンプ９、熱交換器３、加湿器２、加湿用純水タンク８、加湿用純水ポンプ９の順に加湿用純水を循環するように挿通させている。
【００４９】
この燃料電池システムでは、加湿用純水ポンプ９を駆動することにより、加湿用純水タンク８に蓄積された加湿用純水を熱交換器３に供給して加湿用純水を冷却媒体との間で熱交換させて加熱させて加湿器２に供給する。これにより、加湿器２内では、例えばパイプ状の半透明膜内に加湿用純水が供給され、半透明膜に燃料ガス及び酸化剤ガスが通過することにより燃料ガス及び酸化剤ガスに加湿をする。
【００５０】
また、加湿用純水循環流路Ｌ４には、熱交換器３と加湿器２との間における加湿用純水温度Ｔ１１を検出する加湿用純水温度センサ１７を備える。この加湿用純水温度センサ１７は、検出した加湿用純水温度Ｔ１１をコントロールユニット１０に出力する。
【００５１】
コントロールユニット１０は、各センサ１１〜１７からのセンサ信号に基づいて、燃料電池システムの各部を制御する制御信号を出力する。コントロールユニット１０は、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池スタック１の温度を高くするスタック温度制御処理をする。
【００５２】
コントロールユニット１０は、スタック温度制御処理をするに際して、ラジエータ冷却ファン６の回転数制御や動作又は非動作制御、冷却媒体ポンプ４及び加湿用純水ポンプ９の駆動量、加湿用純水ポンプ９の駆動量を制御することによる冷却媒体流量制御及び加湿用純水流量制御を行う。
【００５３】
以下に、コントロールユニット１０によるスタック温度制御処理について説明する。
【００５４】
［スタック温度制御処理］
スタック温度制御処理では、燃料電池スタック１の冷却媒体入口での冷却媒体温度をＴ１、燃料電池スタック１の冷却媒体出口での冷却媒体温度（≒熱交換器３の冷却媒体入口温度）をＴ２、熱交換器３の冷却媒体出口での冷却媒体温度をＴ３、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口での酸化剤ガス温度をＴ２０、燃料電池スタック１の燃料ガス入口での燃料ガス温度をＴ３０、加湿器２の加湿用純水入口（≒熱交換器３出口温度）での加湿用純水温度をＴ１１、加湿器２の加湿用純水出口での加湿用純水温度をＴ１２、熱交換器３の加湿用純水入口での加湿用純水温度をＴ１０、熱交換器３の加湿用純水出口での加湿用純水温度をＴ１１、とすると、
燃料電池スタック１の平均温度は
（Ｔ１＋Ｔ２）／２
で表現され、発電反応をしている限り燃料電池スタック１の冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１よりも高くなる。
【００５５】
また、加湿器２の性能が十分であり、十分な加湿用純水を加湿器２に供給することにより、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口での酸化剤ガスの露点は酸化剤ガス入口での燃料ガス温度Ｔ２０とほぼ等しく、燃料電池スタック１の燃料ガス入口での燃料ガスの露点は燃料ガス入口での燃料ガス温度Ｔ３０とほぼ等しくなる。
【００５６】
ここで、加湿器２は、理論上、加湿器２の加湿用純水入口での加湿用純水温度Ｔ１１より加湿器２の加湿用純水出口での加湿用純水温度Ｔ１２が小さい（Ｔ１１＞Ｔ１２）ことと、燃料ガス及び酸化剤ガスと加湿用純水との間で熱交換を行うため加湿用純水Ｔ１２が酸化剤ガス温度Ｔ２０及び燃料ガス温度Ｔ３０とほぼ同温度となるような関係が成り立つ（Ｔ１１＞Ｔ１２≒Ｔ２０≒Ｔ３０）。すなわち、酸化剤ガスの露点及び燃料ガスの露点は、加湿器２の加湿用純水入口での加湿用純水温度Ｔ１１よりも低くなる。
【００５７】
以上の温度関係より、燃料電池スタック１の冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１よりも加湿用純水Ｔ１１を小さくすることにより、燃料電池スタック１の温度を、酸化剤ガス及び燃料ガスの露点よりも高くすることができる。
【００５８】
これにより、燃料電池システムでは、加湿した酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック１に供給したときに、ガス中の水分が燃料電池スタック１の内部で結露することがない。したがって、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１内部で燃料電池スタック１の発電反応による生成水以外は発生しないため、特に燃料電池スタック１の酸化剤ガス及び燃料ガス入口において、加湿用純水の結露が発生することによる水詰まりが発生せず、安定した燃料電池スタック１の出力電圧の取り出しが可能となる。
【００５９】
図２に、上述した燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係を示す。
【００６０】
図２によれば、冷却媒体温度は、冷却媒体がラジエータ５により冷却されて燃料電池スタック１に供給されると、燃料電池スタック１の発電反応により冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１から高くなって冷却媒体温度Ｔ２となり、熱交換器３で加湿用純水との間で熱交換がされて低くなって加湿器２の冷却媒体出口で冷却媒体温度Ｔ３となり、再度ラジエータ５に供給されて低くなって再度冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１となる。
【００６１】
一方、加湿用純水温度は、加湿用純水が加湿用純水温度Ｔ１１で加湿器２に供給されると、燃料ガス及び酸化剤ガスとの熱交換により低くなって加湿用純水温度Ｔ１２となり、熱交換器３に供給されると冷却媒体との熱交換により高くなり加湿用純水温度Ｔ１０から加湿用純水温度Ｔ１１となり、再度加湿器２に供給される。
【００６２】
図２に示すように、冷却媒体の最低温度である冷却媒体温度Ｔ１を、加湿用純水の最高温度である熱交換器３出口での加湿用純水温度Ｔ１１よりも高くすることにより、燃料電池スタック１の温度を燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも高くすることができ、燃料電池スタック１内での燃料ガス及び酸化剤ガスの結露を防止することができる。
【００６３】
ただし、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転条件によっては図３に示すように、燃料電池スタック１入口での冷却媒体温度Ｔ１が、熱交換器３出口での加湿用純水温度Ｔ１１よりも低くなる場合がある。この場合が発生するのは、例えばラジエータ５の放熱量が大きいために冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１が低くなると共に、燃料電池スタック１の発熱量が大きいために冷却媒体出口での冷却媒体温度Ｔ２が高くなるときである。
【００６４】
この場合は、燃料電池スタック１内に供給されたとき、酸化剤ガス及び燃料ガスの温度が低くなって露点が低くなり、酸化剤ガス及び燃料ガス内の水蒸気が結露して、水詰まりの発生につながってしまう。
【００６５】
したがって、この燃料電池システムにおけるスタック温度制御処理では、常に燃料電池スタック１入口での冷却媒体温度Ｔ１を、熱交換器３出口での加湿用純水Ｔ１１よりも高くするためには、冷却媒体及び加湿用純水の流量を制御することによる燃料電池スタック１の温度制御を行う。
【００６６】
「スタック温度制御処理でのコントロールユニット１０の処理手順」
以下に、実際に燃料電池スタック１の温度を酸化剤ガス及び燃料ガスの露点よりも高くするときのコントロールユニット１０の処理手順について図４を参照して説明する。
【００６７】
コントロールユニット１０に外部から燃料電池スタック１を発電させる旨の命令が入力されて、燃料電池スタック１を反応させているときに、ステップＳ１から処理を開始する。
【００６８】
ステップＳ１において、コントロールユニット１０は、図示しない燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサからのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の出力電圧に応じて冷却媒体及び加湿用純水の流量の初期値を設定する。
【００６９】
ステップＳ２において、コントロールユニット１０は、ステップＳ３以降のループ処理回数を示す定数Ｍ（Ｍ＝１，２，３，・・・）を「１」に設定する。次のステップＳ３において、コントロールユニット１０は、後述の冷却媒体流量調整の回数を示す定数Ｎ（Ｎ＝１，２，３，・・・）を「１」に設定する。次のステップＳ４において、設定されている定数Ｎをインクリメントする処理をする（Ｎ＝Ｎ＋１）。
【００７０】
次のステップＳ５において、コントロールユニット１０は、第１冷却媒体温度センサ１５からのセンサ信号、及び加湿用純水温度センサ１７からのセンサ信号を入力して、冷却媒体温度Ｔ１と、加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を演算する。そして、コントロールユニット１０は、演算して得た温度差と、冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくするための目標値とが同値であるか否かの判定をする。コントロールユニット１０は同値であると判定したときにはステップＳ２８に処理を進め、同値でないと判定したときにはステップＳ６に処理を進める。
【００７１】
ここで、目標値とは、燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池スタック１内に供給されたときに燃料電池スタック１内の燃料ガス及び酸化剤ガス流路で結露が発生しない程度の温度差を示す値であり、予め設定しておく。
【００７２】
ステップＳ２８において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値であるので、図２に示す温度関係を維持することができるとして、後述する水詰まりに対する処理を終了する。
【００７３】
ステップＳ６において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値よりも大きいか否かの判定をする。コントロールユニット１０は目標値よりも大きいと判定したときにはステップＳ８に処理を進め、目標値よりも大きくないと判定したときにはステップＳ７に処理を進める。
【００７４】
ステップＳ８において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１が高すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、冷却媒体の流量を増加させて冷却媒体の温度を下げるように冷却媒体ポンプ４を制御する。これにより、コントロールユニット１０は、燃料電池スタック１内部の温度を低くする。
【００７５】
一方、ステップＳ７において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１が低すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、冷却媒体の流量を低減させて冷却媒体の温度を上げるように冷却媒体ポンプ４を制御する。これにより、コントロールユニット１０は、燃料電池スタック１内部の温度を高くする。
【００７６】
次に、コントロールユニット１０は、ステップＳ１０〜ステップＳ１６までの処理を行うことで、冷却媒体の流量を制御したことで燃料電池システムのオーバーヒートを防止する処理に移行する。
【００７７】
ステップＳ１０において、コントロールユニット１０は、燃料電池システムのオーバーヒートを防止するために、第２冷却媒体温度センサ１６からのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の冷却媒体出口での冷却媒体温度Ｔ２が、オーバーヒートを判定するための許容温度よりも高いか否かの判定をする。コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高い時にはオーバーヒートを防止するためにステップＳ１１に処理を進め、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高くないときにはステップＳ９に処理を進める。
【００７８】
ステップＳ９において、コントロールユニット１０は、定数Ｎが設定値より大きく設定されているか否かの判定し、大きく設定されていると判定したときには、冷却媒体流量調整を終了して次の加湿用純水流量調整に移行するために、ステップＳ１７に処理を進め、大きく設定されていないと判定したときにはステップＳ４に戻って再度ステップＳ４〜ステップＳ１０までの冷却媒体流量調整を繰り返す。
【００７９】
すなわち、このスタック温度制御処理においては、冷却媒体の流量を制御することで燃料電池スタック１を温度を制御しきれないことをステップＳ４〜ステップＳ１０を実行した回数で判断し、定数Ｎが設定値以上となったら、加湿用純水の流量を制御する制御に処理を進める。
【００８０】
ステップＳ１１において、コントロールユニット１０は、燃料電池システムのオーバーヒートを防止するために、ラジエータ冷却ファン６が回転駆動しているか否かの判定をし、ラジエータ冷却ファン６が回転駆動していない時にはステップＳ１２に進んで駆動開始して再度ステップＳ１０に処理を戻す。
【００８１】
一方、ラジエータ冷却ファン６が既に回転駆動しているときにはステップＳ１３に処理を進め、冷却媒体の流量が上限値となっているか否かの判定をする。コントロールユニット１０は冷却媒体の流量が上限値となっていると判定したときには、これ以上冷却媒体流量を増加させることができないとして、ステップＳ１６に処理を進める。
【００８２】
ステップＳ１６において、コントロールユニット１０は、燃料電池システムのオーバーヒートが発生する可能性があるとして、例えば燃料電池スタック１の出力電圧取り出しの制限、ユーザにオーバーヒートが発生する可能性がある旨を警告点灯などで提示する処理をして、ステップＳ２５に処理を進める。
【００８３】
一方、ステップＳ１３で冷却媒体の流量が上限値でないと判定したステップＳ１４において、コントロールユニット１０は、システムのオーバーヒートを防止するために、冷却媒体の流量を増加させるように冷却媒体ポンプ４を制御する。
【００８４】
次のステップＳ１５において、コントロールユニット１０は、ステップＳ１４で冷却媒体流量を増加させてラジエータ５の放熱能力を向上させた結果、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高いか否かの判定をする。コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高いと判定したときには再度ステップＳ１３〜ステップＳ１４までの処理を行うことで更にラジエータ５の冷却能力を向上させ、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高くないと判定したときにはステップＳ１７に処理を進める。
【００８５】
すなわち、コントロールユニット１０は、冷却媒体流量制御から、加湿用純水流量制御に移行し、以降の処理を行うことで再度、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値となったかを監視する。
【００８６】
ステップＳ１７において、コントロールユニット１０は、ステップＳ１８〜ステップＳ２４までのループ処理の実行回数を示す定数Ｌ（Ｌ＝１，２，３・・・）を「１」に設定し、次のステップＳ１８において定数Ｌをインクリメントする処理をする（Ｌ＝Ｌ＋１）。
【００８７】
次のステップＳ１９において、コントロールユニット１０は、ステップＳ５と同様に、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を演算し、演算して得た温度差と、目標値とが同値であるか否かの判定をする。コントロールユニット１０は同値であると判定したときにはステップＳ２８に処理を進め、同値でないと判定したときにはステップＳ２０に処理を進める。
【００８８】
ステップＳ２０において、コントロールユニット１０は、ステップＳ６と同様に、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値よりも大きいか否かの判定をする。コントロールユニット１０は目標値よりも大きいと判定したときにはステップＳ２２に処理を進め、目標値よりも大きくないと判定したときにはステップＳ２１に処理を進める。
【００８９】
ステップＳ２２において、コントロールユニット１０は、加湿用純水温度Ｔ１１が低すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、加湿用純水の流量を低減させて冷却媒体との間で熱交換させることで加湿用純水の温度を上げるように加湿用純水ポンプ９を制御する。
【００９０】
一方、ステップＳ２１において、コントロールユニット１０は、加湿用純水温度Ｔ１１が高すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、加湿用純水の流量を増加させて冷却媒体との間での熱交換量を少なくして加湿用純水ポンプ９を制御する。
【００９１】
次のステップＳ２３において、コントロールユニット１０は、燃料ガス露点センサ１１又は酸化剤ガス露点センサ１３からのセンサ信号を入力し、ステップＳ２１及びステップＳ２２で加湿用純水流量を制御した結果、燃料ガスの露点又は酸化剤ガスの露点が許容範囲以下か否かを判定し、何れかのガス露点が許容範囲以下となったときにはステップＳ２６に処理を進め、何れかのガス露点が許容範囲以下となっていないときにはステップＳ２４に処理を進める。
【００９２】
ステップＳ２４において、コントロールユニット１０は、加湿用純水流量調整の回数を示す定数Ｌが設定値より大きく設定されているか否かを判定し、大きく設定されていると判定したときにはステップＳ２６に処理を進め、大きく設定されていないと判定したときには再度加湿用純水流量を調整するためにステップＳ１８に処理を戻す。
【００９３】
このようにステップＳ１８〜ステップＳ２４間での処理を行うコントロールユニット１０によれば、燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が許容範囲を超えるまで、又は、定数Ｌが設定値となるまで冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値と同値になるように加湿用純水の流量を制御する。
【００９４】
ステップＳ２６において、コントロールユニット１０は、ステップＳ１５と同様に、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも大きいか否かの判定をする。コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高いと判定したときにはステップＳ２５に処理を進め、水詰まりに対処する装置を作動させて、処理を終了する。ここで、水詰まりに対処する装置とは、燃料ガス流路Ｌ１の一部を外部に開放して燃料電池スタック１内の燃料ガス流速を高くして燃料電池スタック１内の液滴を排除するパージ弁などである。
【００９５】
一方、ステップＳ２６において、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高くないと判定したときにはステップＳ２７に処理を進め、任意定数Ｍが設定値より大きい時にはステップＳ２５に処理を進め、大きくない時にはステップＳ２９に処理を進め、任意定数Ｍをインクリメントして再度ステップＳ３以降の処理をする。
【００９６】
すなわち、コントロールユニット１０は、ステップＳ２６で冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも大きい場合には、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値と同値にすることは、燃料電池スタック１の水詰まり防止と燃料電池システムのオーバーヒート防止との双方を考慮すると不可能であるため、ステップＳ２５に処理を進めて水詰まり対処装置を動作させる。
【００９７】
また、このコントロールユニット１０は、ステップＳ２３において、燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が許容値よりも大きい時にはステップＳ２４に処理を進めて、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標となるまで加湿用純水ポンプ９の動作を制御する。
【００９８】
［実施の形態の効果］
以上、詳細に説明したように、スタック温度制御処理を行う燃料電池システムによれば、先ず、冷却媒体流量を増減させて冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値にする処理をして、冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくすることができる。
【００９９】
また、この燃料電池システムによれば、ラジエータ冷却ファン６を動作させている状態で、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が許容範囲内である場合に加湿用純水流量を制御して冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値にする処理をして、冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくすることができる。
【０１００】
したがって、スタック温度制御処理を行う燃料電池システムによれば、冷却媒体及び加湿用純水の流量を制御するように冷却媒体ポンプ４及び加湿用純水ポンプ９を制御するのみで、燃料電池スタック１の温度制御を行うことができる。
【０１０１】
したがって、この燃料電池システムによれば、常に冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくすることができ、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池スタック１の温度を高くするので、燃料電池スタック１内での燃料ガス及び酸化剤ガス流路内の結露を防止して燃料電池スタック１内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池スタック１の出力を安定して取り出すことができる。
【０１０２】
また、この燃料電池システムによれば、冷却媒体流量又は加湿用純水流量を制御して冷却媒体温度を調整する簡便な処理のみで、水詰まり防止をすると共に、燃料電池スタック１の出力を安定して取り出すことができる。
【０１０３】
更に、燃料電池システムによれば、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも低い又は高い場合には、冷却媒体の流量を減らす又は増加させるので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にできる。
【０１０４】
また、この燃料電池システムによれば、ステップＳ７又はステップＳ８で冷却媒体流量の制御を行っていて、ステップＳ１０で冷却媒体温度が許容温度を超えたときには、ステップＳ１１及びステップＳ１２によりラジエータ冷却ファン６を駆動して冷却媒体流量の制御をして、システムのオーバーヒートを防止することができる。
【０１０５】
更に、燃料電池システムによれば、ステップＳ１０で冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、冷却媒体温度が許容温度以下になるまで冷却媒体流量を増加させて、ステップＳ１７以降の加湿用純水流量を調整する処理に移行し、冷却媒体温度と加湿用純水との温度差が目標範囲外である場合には加湿用純水流量を増減させるので、システムのオーバーヒートを防ぐと共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【０１０６】
更にまた、燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を調整しているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以下の場合には、冷却媒体流量の調整に移行するので、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿不足による燃料電池の性能劣化を防止することができると共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【０１０７】
更にまた、燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止し、冷却媒体と加湿用純水との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以上の場合には、燃料電池の水詰まりに対する処理をするので、燃料電池スタック１に安定した性能を発揮させることができる。
【０１０８】
更にまた、燃料電池システムによれば、冷却水ポンプ４により、燃料電池スタック１、熱交換器３、ラジエータ５、冷却水ポンプ４の順に冷却媒体を循環させる構成を有しているので、燃料電池スタック１から受熱した暖かい冷却媒体が冷媒となるので、加湿用純水の暖機時間を短縮することができる。
【０１０９】
［燃料電池システムの他の構成例］
図５に、燃料電池システムの他の構成例を示す。この燃料電池システムは、図１に示したものとは冷却媒体の流路が異なり、ラジエータ５、熱交換器３、燃料電池スタック１、ラジエータ５の順序で冷却媒体ポンプ４により冷却媒体を循環させる点で異なる。
【０１１０】
ここで、熱交換器３の冷却媒体出口（≒燃料電池スタック１の冷却媒体入口）における冷却媒体温度をＴ４、熱交換器３の冷却媒体出口での冷却媒体温度をＴ１１とすると、熱交換器３の性質上、
Ｔ４＞Ｔ１１
となる。したがって、この燃料電池システムによれば、図６に示すように、加湿用純水温度Ｔ１１が冷却媒体温度Ｔ４を上回るようなことがない場合がほとんどとなり、燃料電池スタック１の運転状態に拘わらず、燃料電池スタック１の温度を燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも高くすることができ、冷却媒体や加湿用純水の流量制御を頻度を多くして行う必要がない。
【０１１１】
したがって、この燃料電池システムによれば、より簡便な方法で燃料電池スタック１内での水詰まりを防止し、燃料電池スタック１の出力低下を抑制できる。
【０１１２】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係を説明するための図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係の他の例を説明するための図である。
【図４】コントロールユニットによるスタック温度制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した他の構成例に係る燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 加湿器
３ 熱交換器
４ 冷却媒体ポンプ
５ ラジエータ
６ ラジエータ冷却ファン
７ 冷却媒体タンク
８ 加湿用純水タンク
９ 加湿用純水ポンプ
１０ コントロールユニット
１１ 燃料ガス露点センサ
１２ 燃料ガス温度センサ
１３ 酸化剤ガス露点センサ
１４ 酸化剤ガス温度センサ
１５ 第１冷却媒体温度センサ
１６ 第２冷却媒体温度センサ
１７ 加湿用純水温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の駆動源として用いられ、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電をする燃料電池を駆動する燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池を駆動するに際して空気及び／又は水素ガスの露点に対する燃料電池の温度を制御する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、発電源として、いわゆる燃料電池スタックを用いたものが知られている。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなる。このような燃料電池スタックを用いた燃料電池システムとしては、例えば特開平１０−２５５８２８号公報で開示されているものが知られている。
【０００３】
この特開平１０−２５５８２８号公報で開示されている燃料電池システムでは、酸化剤として空気、燃料として水素が供給されることにより、比較的低温で作動する固体高分子型燃料電池が説明されている。また、この従来の燃料電池システムでは、燃料電池に発電をさせるに際して、固体高分子電解質膜を十分に湿潤している状態に維持する必要があるために、燃料電池に供給する空気及び水素を純水を用いて加湿する動作をしていた。
【０００４】
また、この特開平１０−２５５８２８号公報で開示されている燃料電池システムでは、空気及び水素の加湿量を最適にするために、燃料電池スタックの運転状態、すなわち、供給ガス流量・供給ガス温度・電池負荷・電池内部温度に応じて、加湿器内部の純水噴射手段を制御していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の燃料電池システムでは、加湿用純水を噴射弁により霧化して空気及び水素を加湿しているために加湿器内で完全に水蒸気にはならず、目標とする露点、すなわち目標とする加湿状態に制御することが困難であった。
【０００６】
また、従来の燃料電池システムでは、加湿用純水を霧化して水蒸気にならなかった液滴の一部が、空気及び水素と共に燃料電池スタック内に流れて、燃料電池スタック内での水詰まりの原因となってしまう。
【０００７】
したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの性能を十分に発揮できない可能性があるという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池スタック内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池スタックの出力を安定して取り出すことができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る燃料電池システムでは、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、加湿用純水循環流路に加湿用純水を循環させて上記ガス供給手段により上記燃料電池に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿し、循環させる上記加湿用純水の流量を制御する加湿用純水流量制御手段を有するガス加湿手段と、冷却媒体循環流路に冷却媒体を循環させて上記燃料電池を冷却し、上記冷却媒体温度を制御する冷却媒体温度制御手段を有する燃料電池冷却手段と、上記燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する前の上記加湿用純水と、上記燃料電池を冷却した後の上記冷却媒体とを熱交換させ、熱交換させた上記加湿用純水で上記ガス加湿手段によって酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿させる熱交換手段と、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池温度を高くするように上記燃料電池冷却手段、又は、上記ガス加湿手段の少なくともいずれか一方を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記冷却媒体温度制御手段を制御して上記燃料電池温度を上昇又は低下させると共に、上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、上記熱交換手段で上記冷却媒体と熱交換される加湿用純水流量を増加又は減少させて、上記加湿用純水温度を低下又は上昇させて酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿させることによって、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低下又は上昇させる。
【００１０】
請求項２に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、上記燃料電池の冷却媒体入口での冷却媒体温度を、上記熱交換手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度又は上記ガス加湿手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度よりも高くするように上記燃料電池冷却手段を制御する。
【００１１】
請求項３に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池の発電量を検出する燃料電池発電量検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記燃料電池発電量検出手段で検出された発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して上記燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも低い場合には、冷却媒体の流量を減らすように上記燃料電池冷却手段を制御し、冷却媒体温度が、燃料電池システムをオーバーヒートとしない許容値以上の場合には、冷却媒体温度を低下させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御する。
【００１２】
請求項４に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池の発電量を検出する燃料電池発電量検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記燃料電池発電量検出手段で検出された発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して上記燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも高い場合には、冷却媒体の流量を増やすように上記燃料電池冷却手段を制御する。
【００１３】
請求項５に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池冷却手段は、上記燃料電池を冷却するために上記冷却媒体を冷却する冷却媒体放熱用ラジエータの冷却ファンを更に備え、上記制御手段は、上記冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、上記冷却ファンを駆動する制御をして、上記冷却媒体温度を低減させることによって上記燃料電池の温度を低下させる。
【００１４】
請求項６に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、上記冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、冷却媒体温度が上記許容温度以下になるまで冷却媒体流量を増加させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御して、冷却媒体温度を低くすることによって上記燃料電池の温度を低くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合には、加湿用純水流量を増加又は減少するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水温度を低下又は上昇させて上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低下又は上昇させて、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を目標範囲内にし、加湿用純水温度の低下又は上昇に応じて決定される上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くする。
【００１５】
請求項７に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも低い場合には、加湿用純水流量を増加させるように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を低くして上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差を目標値にすることで、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くさせる。
【００１６】
請求項８に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも高い場合には、加湿用純水流量を低減させるように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くして、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差を目標値にすることで、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くさせる。
【００１７】
請求項９に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には、加湿用純水流量の低減を中止するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くして、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以下の場合には、冷却媒体流量を増減させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御することによって、冷却媒体温度を高低させて上記燃料電池の温度を高低させる。
【００１８】
請求項１０に係る燃料電池システムでは、上記制御手段は、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には、加湿用純水の低減を中止するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くすることで上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くして、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以上の場合には、上記燃料電池の水詰まりに対する処理をする。
【００１９】
請求項１１に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池冷却手段は、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプを有する冷却媒体流量制御手段により、上記燃料電池、上記熱交換手段、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータを有する冷却媒体温度制御手段の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備える。
【００２０】
請求項１２に係る燃料電池システムでは、上記燃料電池冷却手段は、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプからなる冷却媒体流量制御手段により、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータからなる冷却媒体温度制御手段、上記熱交換手段、上記燃料電池、の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備える。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池の温度を高くするので、燃料電池内での燃料ガス及び酸化剤ガス流路内の結露を防止して燃料電池内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池の出力を安定して取り出すことができる。また、燃料電池システムによれば、加湿用純水流量制御手段を制御して燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を制御すると共に、冷却媒体温度制御手段及び冷却媒体流量制御手段を制御して燃料電池の温度を制御して、燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池の温度を高くするので、システムを簡略化でき、更に、加湿用純水を冷却媒体で受熱させるので、暖機時間を短縮することができる。
【００２３】
請求項２に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の冷却媒体入口での冷却媒体温度を、熱交換手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度又はガス加湿手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度よりも高くするように燃料電池冷却手段を制御するので、冷却媒体の温度を調整するのみで、燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも燃料電池の温度を高くして、燃料電池内での燃料ガス及び酸化剤ガス流路内の結露を防止して燃料電池内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池の出力を安定して取り出すことができる、簡便なシステムを提供することができる。
【００２４】
請求項３に係る燃料電池システムによれば、発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも低い場合には、冷却媒体の流量を減らすように燃料電池冷却手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にできる、簡便なシステムを提供することができる。
【００２５】
請求項４に係る燃料電池システムによれば、発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との差が目標値よりも高い場合には、冷却媒体の流量を増やすように燃料電池冷却手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にできる、簡便なシステムを提供することができる。
【００２６】
請求項５に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、燃料電池冷却手段を構成する冷却媒体放熱用ラジエータの冷却ファンを駆動する制御をするので、冷却媒体の温度を制御するに際して、システムのオーバーヒートを抑制することができる。
【００２７】
請求項６に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、冷却媒体温度が許容温度以下になるまで冷却媒体流量を増加させるように燃料電池冷却手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水との温度差が目標範囲外である場合には加湿用純水流量を増減させるようにガス加湿手段を制御するので、システムのオーバーヒートを防ぐと共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００２８】
請求項７に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも低い場合には、加湿用純水流量を増加させるようにガス加湿手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００２９】
請求項８に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも高い場合には、加湿用純水流量を低減させるようにガス加湿手段を制御するので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００３０】
請求項９に係る燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止するようにガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以下の場合には、冷却媒体流量を増減させるように燃料電池冷却手段を制御するので、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿不足による燃料電池の性能劣化を防止することができると共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【００３１】
請求項１０に係る燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止するようにガス加湿手段を制御し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以上の場合には、燃料電池の水詰まりに対する処理をするので、燃料電池の出力電圧の低下及びシステムのオーバーヒートを防止することができると共に、水詰まりに対する処理をするので燃料電池に安定した性能を発揮させることができる。
【００３２】
請求項１１に係る燃料電池システムによれば、冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプを有する冷却媒体流量制御手段により、燃料電池、熱交換手段、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータを有する冷却媒体温度制御手段の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備える燃料電池冷却手段を備えた構成を有しているので、燃料電池から受熱した暖かい冷却媒体が冷媒となるので、加湿用純水の暖機時間を短縮することができる。
【００３３】
請求項１２に係る燃料電池システムによれば、燃料電池冷却手段を、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプからなる冷却媒体流量制御手段により、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータからなる冷却媒体温度制御手段、上記熱交換手段、上記燃料電池、の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備えるものとしたので、熱交換器の性質を利用して、冷却媒体又は加湿用純水の流量を厳密かつ詳細に制御しなくても、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を冷却媒体温度以下にする機会を増やすことができ、更に簡便に、燃料電池の出力電圧を安定して取り出すことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３６】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００３７】
［燃料電池システムの構成］
図１に示す燃料電池システムは、水素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで燃料極（水素極）と酸化剤極（空気極）を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤ガス極側に酸化剤ガスとして空気が供給される共に、水素極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。
【００３８】
この燃料電池システムにおいて、コントロールユニット１０は、後述の各センサからのセンサ信号を入力して、センサ信号に従った処理をして、各部に制御信号を送出することにより、燃料電池スタック１の発電反応を制御する。
【００３９】
燃料電池システムは、燃料タンクに蓄えられた燃料ガスを、例えば調圧弁などで調圧し、加湿器２を介して燃料電池スタック１に供給する燃料ガス流路Ｌ１と、外部からの空気を、酸化剤ガスとして燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガス流路Ｌ２とを備える。
【００４０】
加湿器２は、例えばパイプ状に成形された半透膜内に純水を通過させる構成となっており、燃料ガス及び酸化剤ガスを半透膜と接触させることで、半透膜を介した燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿をする構成となっている。
【００４１】
この燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１からの酸化剤極側の排気ガスは水蒸気と液水とを含み、水分離器によって液水分と水蒸気とに分離され、液水分が加湿用純水タンク８に蓄えられ、水蒸気が外部に排出されるように構成されている。
【００４２】
燃料ガス流路Ｌ１には、加湿器２で加湿された燃料ガスの露点を検出する燃料ガス露点センサ１１と、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度センサ１２とを備える。燃料ガス露点センサ１１は検出した燃料ガス露点をセンサ信号としてコントロールユニット１０に出力すると共に、燃料ガス温度センサ１２は検出した燃料ガス温度Ｔ３０をコントロールユニット１０に出力する。
【００４３】
酸化剤ガス流路Ｌ２には、加湿器２で加湿された酸化剤ガスの露点を検出する酸化剤ガス露点センサ１３と、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度センサ１４とを備える。酸化剤ガス露点センサ１３は検出した酸化剤ガス露点をセンサ信号としてコントロールユニット１０に出力すると共に、酸化剤ガス温度センサ１４は検出した酸化剤ガス温度Ｔ２０をコントロールユニット１０に出力する。
【００４４】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１内に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路Ｌ３と、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び燃料ガスを加湿するための加湿用純水を循環させる加湿用純水循環流路Ｌ４とを更に備える。この冷却媒体循環流路Ｌ３及び加湿用純水循環流路Ｌ４には、冷却媒体と加湿用純水との間で熱交換をする熱交換器３が配設されている。
【００４５】
冷却媒体循環流路Ｌ３には、冷却媒体ポンプ４、燃料電池スタック１、熱交換器３、ラジエータ５、冷却媒体ポンプ４の順に冷却媒体が循環するように挿通され、ラジエータ５に冷風を吹き付けるラジエータ冷却ファン６がラジエータ５近傍に配設されると共に、冷却媒体を蓄える冷却媒体タンク７がラジエータ５に接続されている。
【００４６】
この燃料電池システムでは、冷却媒体ポンプ４を駆動することにより、冷却媒体を燃料電池スタック１内に流入させ、燃料電池スタック１からの冷却媒体を熱交換器３により加湿用純水循環流路Ｌ４の加湿用純水との間で熱交換をさせ、燃料電池スタック１の発熱により高温度となった冷却媒体をラジエータ５により冷却して再度、冷却媒体ポンプ４に循環させる。
【００４７】
また、冷却媒体循環流路Ｌ３には、燃料電池スタック１の冷却媒体入口における冷却媒体温度Ｔ１を検出する第１冷却媒体温度センサ１５と、燃料電池スタック１の冷却媒体出口における冷却媒体温度Ｔ２を検出する第２冷却媒体温度センサ１６とを備える。第１冷却媒体温度センサ１５は検出した冷却媒体温度Ｔ１をセンサ信号としてコントロールユニット１０に出力すると共に、第２冷却媒体温度センサ１６は検出した冷却媒体温度Ｔ２をコントロールユニット１０に出力する。
【００４８】
加湿用純水循環流路Ｌ４には、加湿用純水タンク８に蓄積された加湿用純水を加湿器２に導く加湿用純水ポンプ９と、熱交換器３とが配設され、加湿用純水ポンプ９、熱交換器３、加湿器２、加湿用純水タンク８、加湿用純水ポンプ９の順に加湿用純水を循環するように挿通させている。
【００４９】
この燃料電池システムでは、加湿用純水ポンプ９を駆動することにより、加湿用純水タンク８に蓄積された加湿用純水を熱交換器３に供給して加湿用純水を冷却媒体との間で熱交換させて加熱させて加湿器２に供給する。これにより、加湿器２内では、例えばパイプ状の半透明膜内に加湿用純水が供給され、半透明膜に燃料ガス及び酸化剤ガスが通過することにより燃料ガス及び酸化剤ガスに加湿をする。
【００５０】
また、加湿用純水循環流路Ｌ４には、熱交換器３と加湿器２との間における加湿用純水温度Ｔ１１を検出する加湿用純水温度センサ１７を備える。この加湿用純水温度センサ１７は、検出した加湿用純水温度Ｔ１１をコントロールユニット１０に出力する。
【００５１】
コントロールユニット１０は、各センサ１１〜１７からのセンサ信号に基づいて、燃料電池システムの各部を制御する制御信号を出力する。コントロールユニット１０は、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池スタック１の温度を高くするスタック温度制御処理をする。
【００５２】
コントロールユニット１０は、スタック温度制御処理をするに際して、ラジエータ冷却ファン６の回転数制御や動作又は非動作制御、冷却媒体ポンプ４及び加湿用純水ポンプ９の駆動量、加湿用純水ポンプ９の駆動量を制御することによる冷却媒体流量制御及び加湿用純水流量制御を行う。
【００５３】
以下に、コントロールユニット１０によるスタック温度制御処理について説明する。
【００５４】
［スタック温度制御処理］
スタック温度制御処理では、燃料電池スタック１の冷却媒体入口での冷却媒体温度をＴ１、燃料電池スタック１の冷却媒体出口での冷却媒体温度（≒熱交換器３の冷却媒体入口温度）をＴ２、熱交換器３の冷却媒体出口での冷却媒体温度をＴ３、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口での酸化剤ガス温度をＴ２０、燃料電池スタック１の燃料ガス入口での燃料ガス温度をＴ３０、加湿器２の加湿用純水入口（≒熱交換器３出口温度）での加湿用純水温度をＴ１１、加湿器２の加湿用純水出口での加湿用純水温度をＴ１２、熱交換器３の加湿用純水入口での加湿用純水温度をＴ１０、熱交換器３の加湿用純水出口での加湿用純水温度をＴ１１、とすると、
燃料電池スタック１の平均温度は
（Ｔ１＋Ｔ２）／２
で表現され、発電反応をしている限り燃料電池スタック１の冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１よりも高くなる。
【００５５】
また、加湿器２の性能が十分であり、十分な加湿用純水を加湿器２に供給することにより、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口での酸化剤ガスの露点は酸化剤ガス入口での燃料ガス温度Ｔ２０とほぼ等しく、燃料電池スタック１の燃料ガス入口での燃料ガスの露点は燃料ガス入口での燃料ガス温度Ｔ３０とほぼ等しくなる。
【００５６】
ここで、加湿器２は、理論上、加湿器２の加湿用純水入口での加湿用純水温度Ｔ１１より加湿器２の加湿用純水出口での加湿用純水温度Ｔ１２が小さい（Ｔ１１＞Ｔ１２）ことと、燃料ガス及び酸化剤ガスと加湿用純水との間で熱交換を行うため加湿用純水Ｔ１２が酸化剤ガス温度Ｔ２０及び燃料ガス温度Ｔ３０とほぼ同温度となるような関係が成り立つ（Ｔ１１＞Ｔ１２≒Ｔ２０≒Ｔ３０）。すなわち、酸化剤ガスの露点及び燃料ガスの露点は、加湿器２の加湿用純水入口での加湿用純水温度Ｔ１１よりも低くなる。
【００５７】
以上の温度関係より、燃料電池スタック１の冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１よりも加湿用純水Ｔ１１を小さくすることにより、燃料電池スタック１の温度を、酸化剤ガス及び燃料ガスの露点よりも高くすることができる。
【００５８】
これにより、燃料電池システムでは、加湿した酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック１に供給したときに、ガス中の水分が燃料電池スタック１の内部で結露することがない。したがって、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１内部で燃料電池スタック１の発電反応による生成水以外は発生しないため、特に燃料電池スタック１の酸化剤ガス及び燃料ガス入口において、加湿用純水の結露が発生することによる水詰まりが発生せず、安定した燃料電池スタック１の出力電圧の取り出しが可能となる。
【００５９】
図２に、上述した燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係を示す。
【００６０】
図２によれば、冷却媒体温度は、冷却媒体がラジエータ５により冷却されて燃料電池スタック１に供給されると、燃料電池スタック１の発電反応により冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１から高くなって冷却媒体温度Ｔ２となり、熱交換器３で加湿用純水との間で熱交換がされて低くなって加湿器２の冷却媒体出口で冷却媒体温度Ｔ３となり、再度ラジエータ５に供給されて低くなって再度冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１となる。
【００６１】
一方、加湿用純水温度は、加湿用純水が加湿用純水温度Ｔ１１で加湿器２に供給されると、燃料ガス及び酸化剤ガスとの熱交換により低くなって加湿用純水温度Ｔ１２となり、熱交換器３に供給されると冷却媒体との熱交換により高くなり加湿用純水温度Ｔ１０から加湿用純水温度Ｔ１１となり、再度加湿器２に供給される。
【００６２】
図２に示すように、冷却媒体の最低温度である冷却媒体温度Ｔ１を、加湿用純水の最高温度である熱交換器３出口での加湿用純水温度Ｔ１１よりも高くすることにより、燃料電池スタック１の温度を燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも高くすることができ、燃料電池スタック１内での燃料ガス及び酸化剤ガスの結露を防止することができる。
【００６３】
ただし、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転条件によっては図３に示すように、燃料電池スタック１入口での冷却媒体温度Ｔ１が、熱交換器３出口での加湿用純水温度Ｔ１１よりも低くなる場合がある。この場合が発生するのは、例えばラジエータ５の放熱量が大きいために冷却媒体入口での冷却媒体温度Ｔ１が低くなると共に、燃料電池スタック１の発熱量が大きいために冷却媒体出口での冷却媒体温度Ｔ２が高くなるときである。
【００６４】
この場合は、燃料電池スタック１内に供給されたとき、酸化剤ガス及び燃料ガスの温度が低くなって露点が低くなり、酸化剤ガス及び燃料ガス内の水蒸気が結露して、水詰まりの発生につながってしまう。
【００６５】
したがって、この燃料電池システムにおけるスタック温度制御処理では、常に燃料電池スタック１入口での冷却媒体温度Ｔ１を、熱交換器３出口での加湿用純水Ｔ１１よりも高くするためには、冷却媒体及び加湿用純水の流量を制御することによる燃料電池スタック１の温度制御を行う。
【００６６】
「スタック温度制御処理でのコントロールユニット１０の処理手順」
以下に、実際に燃料電池スタック１の温度を酸化剤ガス及び燃料ガスの露点よりも高くするときのコントロールユニット１０の処理手順について図４を参照して説明する。
【００６７】
コントロールユニット１０に外部から燃料電池スタック１を発電させる旨の命令が入力されて、燃料電池スタック１を反応させているときに、ステップＳ１から処理を開始する。
【００６８】
ステップＳ１において、コントロールユニット１０は、図示しない燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサからのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の出力電圧に応じて冷却媒体及び加湿用純水の流量の初期値を設定する。
【００６９】
ステップＳ２において、コントロールユニット１０は、ステップＳ３以降のループ処理回数を示す定数Ｍ（Ｍ＝１，２，３，・・・）を「１」に設定する。次のステップＳ３において、コントロールユニット１０は、後述の冷却媒体流量調整の回数を示す定数Ｎ（Ｎ＝１，２，３，・・・）を「１」に設定する。次のステップＳ４において、設定されている定数Ｎをインクリメントする処理をする（Ｎ＝Ｎ＋１）。
【００７０】
次のステップＳ５において、コントロールユニット１０は、第１冷却媒体温度センサ１５からのセンサ信号、及び加湿用純水温度センサ１７からのセンサ信号を入力して、冷却媒体温度Ｔ１と、加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を演算する。そして、コントロールユニット１０は、演算して得た温度差と、冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくするための目標値とが同値であるか否かの判定をする。コントロールユニット１０は同値であると判定したときにはステップＳ２８に処理を進め、同値でないと判定したときにはステップＳ６に処理を進める。
【００７１】
ここで、目標値とは、燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池スタック１内に供給されたときに燃料電池スタック１内の燃料ガス及び酸化剤ガス流路で結露が発生しない程度の温度差を示す値であり、予め設定しておく。
【００７２】
ステップＳ２８において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値であるので、図２に示す温度関係を維持することができるとして、後述する水詰まりに対する処理を終了する。
【００７３】
ステップＳ６において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値よりも大きいか否かの判定をする。コントロールユニット１０は目標値よりも大きいと判定したときにはステップＳ８に処理を進め、目標値よりも大きくないと判定したときにはステップＳ７に処理を進める。
【００７４】
ステップＳ８において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１が高すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、冷却媒体の流量を増加させて冷却媒体の温度を下げるように冷却媒体ポンプ４を制御する。これにより、コントロールユニット１０は、燃料電池スタック１内部の温度を低くする。
【００７５】
一方、ステップＳ７において、コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ１が低すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、冷却媒体の流量を低減させて冷却媒体の温度を上げるように冷却媒体ポンプ４を制御する。これにより、コントロールユニット１０は、燃料電池スタック１内部の温度を高くする。
【００７６】
次に、コントロールユニット１０は、ステップＳ１０〜ステップＳ１６までの処理を行うことで、冷却媒体の流量を制御したことで燃料電池システムのオーバーヒートを防止する処理に移行する。
【００７７】
ステップＳ１０において、コントロールユニット１０は、燃料電池システムのオーバーヒートを防止するために、第２冷却媒体温度センサ１６からのセンサ信号を入力し、燃料電池スタック１の冷却媒体出口での冷却媒体温度Ｔ２が、オーバーヒートを判定するための許容温度よりも高いか否かの判定をする。コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高い時にはオーバーヒートを防止するためにステップＳ１１に処理を進め、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高くないときにはステップＳ９に処理を進める。
【００７８】
ステップＳ９において、コントロールユニット１０は、定数Ｎが設定値より大きく設定されているか否かの判定し、大きく設定されていると判定したときには、冷却媒体流量調整を終了して次の加湿用純水流量調整に移行するために、ステップＳ１７に処理を進め、大きく設定されていないと判定したときにはステップＳ４に戻って再度ステップＳ４〜ステップＳ１０までの冷却媒体流量調整を繰り返す。
【００７９】
すなわち、このスタック温度制御処理においては、冷却媒体の流量を制御することで燃料電池スタック１を温度を制御しきれないことをステップＳ４〜ステップＳ１０を実行した回数で判断し、定数Ｎが設定値以上となったら、加湿用純水の流量を制御する制御に処理を進める。
【００８０】
ステップＳ１１において、コントロールユニット１０は、燃料電池システムのオーバーヒートを防止するために、ラジエータ冷却ファン６が回転駆動しているか否かの判定をし、ラジエータ冷却ファン６が回転駆動していない時にはステップＳ１２に進んで駆動開始して再度ステップＳ１０に処理を戻す。
【００８１】
一方、ラジエータ冷却ファン６が既に回転駆動しているときにはステップＳ１３に処理を進め、冷却媒体の流量が上限値となっているか否かの判定をする。コントロールユニット１０は冷却媒体の流量が上限値となっていると判定したときには、これ以上冷却媒体流量を増加させることができないとして、ステップＳ１６に処理を進める。
【００８２】
ステップＳ１６において、コントロールユニット１０は、燃料電池システムのオーバーヒートが発生する可能性があるとして、例えば燃料電池スタック１の出力電圧取り出しの制限、ユーザにオーバーヒートが発生する可能性がある旨を警告点灯などで提示する処理をして、ステップＳ２５に処理を進める。
【００８３】
一方、ステップＳ１３で冷却媒体の流量が上限値でないと判定したステップＳ１４において、コントロールユニット１０は、システムのオーバーヒートを防止するために、冷却媒体の流量を増加させるように冷却媒体ポンプ４を制御する。
【００８４】
次のステップＳ１５において、コントロールユニット１０は、ステップＳ１４で冷却媒体流量を増加させてラジエータ５の放熱能力を向上させた結果、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高いか否かの判定をする。コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高いと判定したときには再度ステップＳ１３〜ステップＳ１４までの処理を行うことで更にラジエータ５の冷却能力を向上させ、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高くないと判定したときにはステップＳ１７に処理を進める。
【００８５】
すなわち、コントロールユニット１０は、冷却媒体流量制御から、加湿用純水流量制御に移行し、以降の処理を行うことで再度、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値となったかを監視する。
【００８６】
ステップＳ１７において、コントロールユニット１０は、ステップＳ１８〜ステップＳ２４までのループ処理の実行回数を示す定数Ｌ（Ｌ＝１，２，３・・・）を「１」に設定し、次のステップＳ１８において定数Ｌをインクリメントする処理をする（Ｌ＝Ｌ＋１）。
【００８７】
次のステップＳ１９において、コントロールユニット１０は、ステップＳ５と同様に、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を演算し、演算して得た温度差と、目標値とが同値であるか否かの判定をする。コントロールユニット１０は同値であると判定したときにはステップＳ２８に処理を進め、同値でないと判定したときにはステップＳ２０に処理を進める。
【００８８】
ステップＳ２０において、コントロールユニット１０は、ステップＳ６と同様に、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値よりも大きいか否かの判定をする。コントロールユニット１０は目標値よりも大きいと判定したときにはステップＳ２２に処理を進め、目標値よりも大きくないと判定したときにはステップＳ２１に処理を進める。
【００８９】
ステップＳ２２において、コントロールユニット１０は、加湿用純水温度Ｔ１１が低すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、加湿用純水の流量を低減させて冷却媒体との間で熱交換させることで加湿用純水の温度を上げるように加湿用純水ポンプ９を制御する。
【００９０】
一方、ステップＳ２１において、コントロールユニット１０は、加湿用純水温度Ｔ１１が高すぎ、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値に近づけるために、加湿用純水の流量を増加させて冷却媒体との間での熱交換量を少なくして加湿用純水ポンプ９を制御する。
【００９１】
次のステップＳ２３において、コントロールユニット１０は、燃料ガス露点センサ１１又は酸化剤ガス露点センサ１３からのセンサ信号を入力し、ステップＳ２１及びステップＳ２２で加湿用純水流量を制御した結果、燃料ガスの露点又は酸化剤ガスの露点が許容範囲以下か否かを判定し、何れかのガス露点が許容範囲以下となったときにはステップＳ２６に処理を進め、何れかのガス露点が許容範囲以下となっていないときにはステップＳ２４に処理を進める。
【００９２】
ステップＳ２４において、コントロールユニット１０は、加湿用純水流量調整の回数を示す定数Ｌが設定値より大きく設定されているか否かを判定し、大きく設定されていると判定したときにはステップＳ２６に処理を進め、大きく設定されていないと判定したときには再度加湿用純水流量を調整するためにステップＳ１８に処理を戻す。
【００９３】
このようにステップＳ１８〜ステップＳ２４間での処理を行うコントロールユニット１０によれば、燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が許容範囲を超えるまで、又は、定数Ｌが設定値となるまで冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標値と同値になるように加湿用純水の流量を制御する。
【００９４】
ステップＳ２６において、コントロールユニット１０は、ステップＳ１５と同様に、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも大きいか否かの判定をする。コントロールユニット１０は、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高いと判定したときにはステップＳ２５に処理を進め、水詰まりに対処する装置を作動させて、処理を終了する。ここで、水詰まりに対処する装置とは、燃料ガス流路Ｌ１の一部を外部に開放して燃料電池スタック１内の燃料ガス流速を高くして燃料電池スタック１内の液滴を排除するパージ弁などである。
【００９５】
一方、ステップＳ２６において、冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも高くないと判定したときにはステップＳ２７に処理を進め、任意定数Ｍが設定値より大きい時にはステップＳ２５に処理を進め、大きくない時にはステップＳ２９に処理を進め、任意定数Ｍをインクリメントして再度ステップＳ３以降の処理をする。
【００９６】
すなわち、コントロールユニット１０は、ステップＳ２６で冷却媒体温度Ｔ２が許容温度よりも大きい場合には、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値と同値にすることは、燃料電池スタック１の水詰まり防止と燃料電池システムのオーバーヒート防止との双方を考慮すると不可能であるため、ステップＳ２５に処理を進めて水詰まり対処装置を動作させる。
【００９７】
また、このコントロールユニット１０は、ステップＳ２３において、燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が許容値よりも大きい時にはステップＳ２４に処理を進めて、冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差が目標となるまで加湿用純水ポンプ９の動作を制御する。
【００９８】
［実施の形態の効果］
以上、詳細に説明したように、スタック温度制御処理を行う燃料電池システムによれば、先ず、冷却媒体流量を増減させて冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値にする処理をして、冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくすることができる。
【００９９】
また、この燃料電池システムによれば、ラジエータ冷却ファン６を動作させている状態で、燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が許容範囲内である場合に加湿用純水流量を制御して冷却媒体温度Ｔ１と加湿用純水温度Ｔ１１との温度差を目標値にする処理をして、冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくすることができる。
【０１００】
したがって、スタック温度制御処理を行う燃料電池システムによれば、冷却媒体及び加湿用純水の流量を制御するように冷却媒体ポンプ４及び加湿用純水ポンプ９を制御するのみで、燃料電池スタック１の温度制御を行うことができる。
【０１０１】
したがって、この燃料電池システムによれば、常に冷却媒体温度Ｔ１を加湿用純水温度Ｔ１１よりも大きくすることができ、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、燃料電池スタック１の温度を高くするので、燃料電池スタック１内での燃料ガス及び酸化剤ガス流路内の結露を防止して燃料電池スタック１内での水詰まりを防止すると共に、常に燃料電池スタック１の出力を安定して取り出すことができる。
【０１０２】
また、この燃料電池システムによれば、冷却媒体流量又は加湿用純水流量を制御して冷却媒体温度を調整する簡便な処理のみで、水詰まり防止をすると共に、燃料電池スタック１の出力を安定して取り出すことができる。
【０１０３】
更に、燃料電池システムによれば、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも低い又は高い場合には、冷却媒体の流量を減らす又は増加させるので、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にできる。
【０１０４】
また、この燃料電池システムによれば、ステップＳ７又はステップＳ８で冷却媒体流量の制御を行っていて、ステップＳ１０で冷却媒体温度が許容温度を超えたときには、ステップＳ１１及びステップＳ１２によりラジエータ冷却ファン６を駆動して冷却媒体流量の制御をして、システムのオーバーヒートを防止することができる。
【０１０５】
更に、燃料電池システムによれば、ステップＳ１０で冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、冷却媒体温度が許容温度以下になるまで冷却媒体流量を増加させて、ステップＳ１７以降の加湿用純水流量を調整する処理に移行し、冷却媒体温度と加湿用純水との温度差が目標範囲外である場合には加湿用純水流量を増減させるので、システムのオーバーヒートを防ぐと共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【０１０６】
更にまた、燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を調整しているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止し、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以下の場合には、冷却媒体流量の調整に移行するので、燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿不足による燃料電池の性能劣化を防止することができると共に、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を最適にすることができる。
【０１０７】
更にまた、燃料電池システムによれば、加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には加湿用純水の低減を中止し、冷却媒体と加湿用純水との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以上の場合には、燃料電池の水詰まりに対する処理をするので、燃料電池スタック１に安定した性能を発揮させることができる。
【０１０８】
更にまた、燃料電池システムによれば、冷却水ポンプ４により、燃料電池スタック１、熱交換器３、ラジエータ５、冷却水ポンプ４の順に冷却媒体を循環させる構成を有しているので、燃料電池スタック１から受熱した暖かい冷却媒体が冷媒となるので、加湿用純水の暖機時間を短縮することができる。
【０１０９】
［燃料電池システムの他の構成例］
図５に、燃料電池システムの他の構成例を示す。この燃料電池システムは、図１に示したものとは冷却媒体の流路が異なり、ラジエータ５、熱交換器３、燃料電池スタック１、ラジエータ５の順序で冷却媒体ポンプ４により冷却媒体を循環させる点で異なる。
【０１１０】
ここで、熱交換器３の冷却媒体出口（≒燃料電池スタック１の冷却媒体入口）における冷却媒体温度をＴ４、熱交換器３の冷却媒体出口での冷却媒体温度をＴ１１とすると、熱交換器３の性質上、
Ｔ４＞Ｔ１１
となる。したがって、この燃料電池システムによれば、図６に示すように、加湿用純水温度Ｔ１１が冷却媒体温度Ｔ４を上回るようなことがない場合がほとんどとなり、燃料電池スタック１の運転状態に拘わらず、燃料電池スタック１の温度を燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも高くすることができ、冷却媒体や加湿用純水の流量制御を頻度を多くして行う必要がない。
【０１１１】
したがって、この燃料電池システムによれば、より簡便な方法で燃料電池スタック１内での水詰まりを防止し、燃料電池スタック１の出力低下を抑制できる。
【０１１２】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係を説明するための図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係の他の例を説明するための図である。
【図４】コントロールユニットによるスタック温度制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した他の構成例に係る燃料電池システムにおける冷却媒体温度と加湿用純水温度との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 加湿器
３ 熱交換器
４ 冷却媒体ポンプ
５ ラジエータ
６ ラジエータ冷却ファン
７ 冷却媒体タンク
８ 加湿用純水タンク
９ 加湿用純水ポンプ
１０ コントロールユニット
１１ 燃料ガス露点センサ
１２ 燃料ガス温度センサ
１３ 酸化剤ガス露点センサ
１４ 酸化剤ガス温度センサ
１５ 第１冷却媒体温度センサ
１６ 第２冷却媒体温度センサ
１７ 加湿用純水温度センサ
Claims (12)
- 電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給手段と、
加湿用純水循環流路に加湿用純水を循環させて上記ガス供給手段により上記燃料電池に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿し、循環させる上記加湿用純水の流量を制御する加湿用純水流量制御手段を有するガス加湿手段と、
冷却媒体循環流路に冷却媒体を循環させて上記燃料電池を冷却し、上記冷却媒体温度を制御する冷却媒体温度制御手段を有する燃料電池冷却手段と、
上記燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する前の上記加湿用純水と、上記燃料電池を冷却した後の上記冷却媒体とを熱交換させ、熱交換させた上記加湿用純水で上記ガス加湿手段によって酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿させる熱交換手段と、
上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池温度を高くするように上記燃料電池冷却手段、又は、上記ガス加湿手段の少なくともいずれか一方を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記冷却媒体温度制御手段を制御して上記燃料電池温度を上昇又は低下させると共に、
上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、上記熱交換手段で上記冷却媒体と熱交換される加湿用純水流量を増加又は減少させて、上記加湿用純水温度を低下又は上昇させて酸化剤ガス及び燃料ガスを加湿させることによって、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低下又は上昇させること
を特徴とする燃料電池システム。 - 上記制御手段は、
上記燃料電池の冷却媒体入口での冷却媒体温度を、上記熱交換手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度又は上記ガス加湿手段の加湿用純水出口での加湿用純水温度よりも高くするように上記燃料電池冷却手段を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 上記燃料電池の発電量を検出する燃料電池発電量検出手段を更に備え、
上記制御手段は、
上記燃料電池発電量検出手段で検出された発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して上記燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、
冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも低い場合には、冷却媒体の流量を減らすように上記燃料電池冷却手段を制御し、
冷却媒体温度が、燃料電池システムをオーバーヒートとしない許容値以上の場合には、冷却媒体温度を低下させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御すること
ことを特徴とする請求項１〜２の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記燃料電池の発電量を検出する燃料電池発電量検出手段を更に備え、
上記制御手段は、
上記燃料電池発電量検出手段で検出された発電量に応じて冷却媒体流量及び加湿用純水流量を決定して上記燃料電池冷却手段及びガス加湿手段を制御し、
冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標値よりも高い場合には、冷却媒体の流量を増やすように上記燃料電池冷却手段を制御すること
を特徴とする請求項１〜２の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記燃料電池冷却手段は、上記燃料電池を冷却するために上記冷却媒体を冷却する冷却媒体放熱用ラジエータの冷却ファンを更に備え、
上記制御手段は、上記冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、上記冷却ファンを駆動する制御をして、上記冷却媒体温度を低減させることによって上記燃料 電池の温度を低下させることを特徴とする請求項１〜６の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記制御手段は、
上記冷却媒体温度が予め設定した許容温度よりも高い場合には、冷却媒体温度が上記許容温度以下になるまで冷却媒体流量を増加させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御して、冷却媒体温度を低くすることによって上記燃料電池の温度を低くし、
冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合には、加湿用純水流量を増加又は減少するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水温度を低下又は上昇させて上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低下又は上昇させて、冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差を目標範囲内にし、
加湿用純水温度の低下又は上昇に応じて決定される上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記制御手段は、
冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも低い場合には、加湿用純水流量を増加させるように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を低くして上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を低くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差を目標値にすることで、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くさせることを特徴とする請求項１〜６の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記制御手段は、
冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差が目標値よりも高い場合には、加湿用純水流量を低減させるように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くして、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くし、冷却媒体温度と加湿用純水温度の温度差を目標値にすることで、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点よりも、上記燃料電池の温度を高くさせることを特徴とする請求項１〜６の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記制御手段は、
加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には、加湿用純水流量の低減を中止するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くして、上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くし、
冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以下の場合には、冷却媒体流量を増減させるように上記冷却媒体温度制御手段を制御することによって、冷却媒体温度を高低させて上記燃料電池の温度を高低させること
を特徴とする請求項１〜８の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記制御手段は、
加湿用純水流量を低減させているときに燃料ガス又は酸化剤ガスの露点が目標値以下になった場合には、加湿用純水の低減を中止するように上記加湿用純水流量制御手段を制御することによって、加湿用純水の温度を高くすることで上記燃料電池に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの露点を高くして、
冷却媒体温度と加湿用純水温度との温度差が目標範囲外である場合で、且つ冷却媒体温度が許容値以上の場合には、上記燃料電池の水詰まりに対する処理をすること
を特徴とする請求項１〜８の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記燃料電池冷却手段は、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプを有する冷却媒体流量制御手段により、上記燃料電池、上記熱交換手段、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータを有する冷却媒体温度制御手段の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備えること
を特徴とする請求項１〜１０の何れか一に記載の燃料電池システム。 - 上記燃料電池冷却手段は、上記冷却媒体を循環させる冷却媒体循環用ポンプからなる冷却媒体流量制御手段により、冷却ファンにより冷却媒体を冷却するラジエータからなる冷却媒体温度制御手段、上記熱交換手段、上記燃料電池、の順に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路を備えることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一に記載の燃料電池システム。
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