JP4752258B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、低温環境下でのシステムの起動性を改善した燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、低温起動時に燃料電池に供給する水素ガスの供給圧力を定常運転時よりも低下させることで低温起動時の発電効率を低下させ、燃料電池の自己発熱量を増大させて、燃料電池の暖機時間を短縮するようにしている。
特開２００２−３１３３８８

上記従来の燃料電池システムにおいては、低温起動時には効率の悪い発電により自己発熱量を増大させて燃料電池自体を昇温させていたが、低温環境下では、燃料電池に供給される水素ガスや空気ガスの反応ガスも低温になっている。特に氷点下の低温環境下での起動時に、燃料電池の発電が十分でない起動当初に例えば氷点下の空気ガスが燃料電池のカソード極に導入されると、発電によりカソード極側で生成された水分が凍結し、発電ができなくなるおそれがあった。

このような不具合を回避するために、氷点下でのシステムの起動時には、空気ガスを昇温した後燃料電池に供給する手法が採用されていた。空気ガスを昇温するためには、氷点下起動時は燃料電池の発電が十分でないため、バッテリ電力を利用して燃料電池に圧縮空気を供給するコンプレッサを高圧で運転していた。

しかし、空気の流量と圧力調整のみで燃料電池入口の空気温度を所定温度以上に昇温しようとすると、コンプレッサの空気吐出温度、コンプレッサから吐出された空気の温度を冷却調整するアフタークーラの上限温度、ならびに燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器の上限温度を超えてしまうおそれがあった。このため、空気供給系の構成に損傷を与えるおそれがあった。

また、空気の昇温時間を短くしようとすると、空気の温度が上述した吐出温度や上限温度を上回るおそれがあるので、昇温時間を短縮して、迅速に安定した電力を得ることが困難になるといった不具合を招いていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低温環境下でも、システムを短時間にかつ円滑に起動できる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、設定された流量と圧力で酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段で圧縮された酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標空気流量と目標空気圧力を算出し、算出した目標空気流量と目標空気圧力で酸化剤ガスが前記燃料電池に供給されるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が所定値以下の低温時には、前記酸化剤ガス供給手段で酸化剤ガスを設定された圧力を圧縮して燃料電池入口酸化剤ガス温度を目標温度まで昇温する際に、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度のすべてがそれぞれの上限温度を超えないように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度の温度動特性を予測し、その予測温度とそれぞれ対応した上限温度との差を算出し、予測温度が上限温度以下の場合には上限温度との差が最も小さいものが上限温度を超えないように、前記酸化剤ガス供給手段を制御し、予測温度が上限温度を超える場合には、予測温度と上限温度との差が最も大きいものが上限温度以下になるように、前記酸化剤ガス供給手段を制御することを特徴とする。
また、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、設定された流量と圧力で酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段で圧縮された酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標空気流量と目標空気圧力を算出し、算出した目標空気流量と目標空気圧力で酸化剤ガスが前記燃料電池に供給されるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給手段から導出された酸化剤ガスを選択的に分岐させる酸化剤ガスバイパス手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が所定値以下の低温時には、前記酸化剤ガス供給手段で酸化剤ガスを設定された圧力を圧縮して燃料電池入口酸化剤ガス温度を目標温度まで昇温する際に、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度のすべてがそれぞれの上限温度を超えないように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、燃料電池入口酸化剤ガス温度が所定値以下の場合は、前記酸化剤ガスバイパス手段で酸化剤ガスを分岐させ、分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度を超えるように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、その後分岐する酸化剤ガスの温度の超過が整定されて分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度以下になったときに前記酸化剤ガスバイパス手段による酸化剤ガスの分岐を停止することを特徴とする。

本発明によれば、システムの低温起動時に、燃料電池へ供給する酸化剤ガスを昇温する際に、燃料電池入口温度、加湿器入口温度、酸化剤ガス供給装置出口温度の上限温度を超えないように酸化剤ガスを昇温することが可能となる。これにより、空気供給系の構成に損傷を与えることなく、システムを短時間にかつ円滑に起動することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池１と、燃料ガス系の構成として水素供給タンク２、水素圧力レギュレータ３、パージ調整弁４ならびに水素循環ポンプ５を備え、酸化剤ガス系の構成として空気供給装置６、アフタークーラ（Ａ／Ｃ）２５、加湿器２６ならびに空気調圧弁７を備え、さらに冷却水ポンプ８を備えている。

燃料電池１は、供給される燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気とを化学反応させて発電を行い、発電で発生した熱は冷却水ポンプ８で燃料電池１を循環される冷却水で除去される。燃料電池１に供給される水素は水素供給タンク２に貯蔵され、水素供給タンク２に貯蔵された水素は、水素圧力レギュレータ３で圧力調整されて燃料電池１に供給される。燃料電池１から排出された未使用の水素は、その一部が循環水素系に蓄積した窒素をパージするパージ調整弁４を介して排気される一方、残りの水素は水素循環ポンプ５を介して燃料電池１の水素入口側に戻されて循環される。循環された循環水素は、水素供給タンク２から導出された水素と混合されて混合水素として燃料電池１に供給される。循環水素系を循環する循環水素は、水蒸気を多く含んでおり、水素供給タンク２から導出される乾燥した水素と混合することで、燃料電池１のアノード極に供給する水素を加湿するようにしている。

一方、燃料電池１には、空気供給装置６から排出されてアフタークーラ２５で温度が調整され加湿器２６で加湿された酸化剤ガスの空気が供給され、燃料電池１から排出された未使用の空気は、燃料電池１のカソード極に導入される空気の圧力を調整する空気調圧弁７を介して圧力調整されて排気される。空気供給装置６は、空気を圧縮するコンプレッサで構成され、このコンプレッサで圧縮された空気が燃料電池１に供給される。したがって、燃料電池１に供給される空気は、その圧力と流量がコンプレッサの回転数ならびに空気調圧弁７の弁開度に基づいて設定調整される。また、燃料電池１に供給される空気は、空気供給装置６のコンプレッサによって圧縮されるため、圧縮により発熱する。したがって、空気供給装置６と空気調圧弁７によって燃料電池１に供給される空気は昇温されるので、空気供給装置６と空気調圧弁７は、空気を昇温する昇温手段として機能する。空気の発熱量は、空気の圧力と流量により変化するので、空気の昇温は圧力と流量とに基づいて制御される。

燃料電池システムは、さらに電力変換装置９、負荷装置１０、バッテリ１１、バッテリコントローラ１２ならびに各種センサ類を備えている。

燃料電池１の発電で得られた電力は、電力変換装置９により負荷装置１０又はバッテリ１１の仕様に対応した電力に変換されて、負荷装置１０及び／又はバッテリ１１に与えられる。負荷装置１０は、例えばインバータや発電で得られた電力を消費する駆動モータからなり、インバータで構成された場合には、発電で得られた電力を消費する駆動モータ等の負荷がインバータに接続される。負荷装置１０では発電値を設定して、設定した発電値に応じて燃料電池１から負荷電流を取り出すようにしている。

電力変換装置９で電力変換されてバッテリ１１に与えられた電力は、バッテリ１１に蓄電され、蓄電された電力は例えばシステムの起動時に補機となる空気供給装置６に供給されて、コンプレッサを駆動する電力の一部を担う。バッテリコントローラ１２は、バッテリ１１に接続され、バッテリ１１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：充電状態）を測定し、バッテリコントローラ１２で測定されたＳＯＣはバッテリ１１から供給可能な電力を見積もる等に使用される。

各種センサ類として、燃料電池１の水素入口には、燃料電池１に導入される水素の圧力を計測する圧力センサ１３ならびに温度を計測する温度センサ１４が設けられている。燃料電池１の冷却水流路出口には、燃料電池１から排出された冷却水の温度を計測する温度センサ１５が設けられている。燃料電池１には、燃料電池１を構成する燃料電池セルの電圧を計測する電圧センサ１６が設けられている。

空気供給装置６の上流側には、空気供給装置６に吸入される空気の温度を計測する温度センサ１７が設けられている。空気供給装置６の下流には、空気供給装置６から排出された空気の流量を計測する流量センサ２７ならびに空気の温度を計測する温度センサ２８が設けられている。アフタークーラ２５の下流側には、アフタークーラ２５から排出された空気の温度、ならびに加湿器２６に導入される空気の温度を計測する温度センサ２９が設けられている。燃料電池１の空気入口には、燃料電池１に導入される空気の圧力を計測する圧力センサ１８ならびに温度を計測する温度センサ１９が設けられている。

燃料電池１と電力変換装置９との間には、燃料電池１から電力変換装置９に流れる負荷電流を計測する電流センサ２０と、燃料電池１から電力変換装置９に与えられる電圧を計測する電圧センサ２１が設けられている。燃料電池１とバッテリ１１との間には、電力変換装置９からバッテリ１１に与えられる電圧を計測する電圧センサ２２ならびに電流を計測する電流センサ２３が設けられている。バッテリ１１の近傍には、バッテリ１１の温度を近似するバッテリ１１の近傍温度を計測する温度センサ２４が設けられている。

燃料電池システムは、図示しないがコントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、図１に示す各種センサ類を含む本システムにおけるすべてのセンサ類（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、空気供給装置６ならびに空気調圧弁７を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する起動時の昇温処理ならびに電力の収支計算を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、システム起動時に燃料電池１に供給される空気の昇温制御処理の手順を説明する。

図２において、先ず通常通りシステムの起動を開始する。この実施例１では水素供給は圧力レギュレータ構成としているので燃料電池入口との圧力差に応じて水素が燃料電池１に供給される。システム起動時にはパージ調整弁４を開いて圧力差を生じさせて水素を供給するようにする。また、目標流量と目標圧力とをコントロールユニットへ入力して、コントロールユニットでコンプレッサ回転数、圧力調整弁開度を計算し、空気供給装置６のコンプレッサならびに空気調圧弁７に出力し、燃料電池１に供給される空気の流量と圧力を制御する（ステップＳ２００）。この実施例１では、空気の流量と圧力の干渉を考慮して、制御理論で公知の流量と圧力の非干渉化制御方式を採用した。

続いて、低温モードでシステムを起動するか否かを判断する（ステップＳ２０１）。この実施例１では、空気供給装置６の吸気空気温度と燃料電池出口冷却水温度に基づいて低温モードで起動するか否かを判断する。

この判断は、図３のフローチャートに示す手順にしたがって行われる。図３において、先ず吸気空気温度＜閾値Ｔｈ１、または燃料電池出口冷却水温度＜閾値Ｔｈ２であるか否かを判別する（ステップＳ３００）。いずれか一方の要件が成立した場合には、低温モードで起動する一方、いずれの要件も成立しない場合には、通常のモードで起動する（ステップＳ３０１、Ｓ２０２）。ここで、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２は実験や机上検討により予め設定された変数とし、この実施例１では、例えばＴｈ１＝０℃程度、Ｔｈ２＝０℃程度に設定した。

図２に戻って、低温モードで起動する場合には、昇温した空気を燃料電池１へ供給するが、先ず燃料電池入口空気温度をどの程度の温度まで昇温するかを決めるために、以下の目標温度を設定する（ステップＳ２０３）。この実施例１では、燃料電池入口空気温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の目標温度を設定する。この実施例１では、それぞれの目標温度をそれぞれの構成部材の上限温度とした。

次に、燃料電池入口空気温度が目標温度となるように、先のステップＳ２００で算出した目標流量と目標圧力を温度補正する（ステップＳ２０４）。この温度補正は、図４（ａ）の制御ブロック図に示すようにして実行され、燃料電池入口空気温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度に基づいて、公知のＰＩ制御器を用いて温度動特性を予測した制御手法を採用して行われる。

この公知のＰＩ制御器を用いた温度動特性を予測した制御手法では、予め温度動特性を取得するための実験を行い、実験結果からコンプレッサ回転数と各部の温度の関係、圧力調整弁開度と温度変化の関係データを取得する。このような実験はステップ応答実験と呼ばれており公知な方法であるので説明は省略する。このような実験データから以下に示す関係式（数１）の係数Ｋ１，Ｋ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｍ１，Ｍ２を求める。これらそれぞれの係数は時系列（予測時間だけ）にならんだベクトル係数である。これはシステム同定あるいは多変量解析手法と呼ばれ公知な方法であるので説明は省略する。

（数１）
燃料電池入口空気温度ｙ１＝Ｋ１×コンプレッサ回転数ｕ１＋Ｋ２×圧力調整弁開度ｕ２
コンプレッサ吐出温度ｙ２＝Ｌ１×コンプレッサ回転数ｕ１＋Ｌ２×圧力調整弁開度ｕ２
加湿器入口温度変化ｙ３＝Ｍ１×コンプレッサ回転数ｕ１＋Ｍ２×圧力調整弁開度ｕ２
上記係数おいて、例えばコンプレッサ回転数ｕ１をある回転数からある回転数へステップ変化させた時に、燃料電池入口空気温度が図５に示すように変化した場合には、データの各時点（時間ｔ１、ｔ２…）における温度が係数となる。さらに、平均値を引くなどのデータ標準化を行って係数を作成する。詳細はシステム同定理論で公知であるので省略する。このような時系列の係数を有する以下に示すモデル式（数２）にコンプレッサ回転数と圧力調整弁開度を入力することで、将来の温度動特性を予測することが可能となる。

（数２）
ｔを時間、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを係数とすると、
y1(y)=a1*y1(t-1)+a2*y1(t-2)+K11*u1(t-1)+K12*u1(t-2)
+b1*y1(t-1)+b2*y1(t-2)+K21*u2(t-1)+K22*u2(t-2)
y2(y)=c1*y2(t-1)+c2*y2(t-2)+L11*u1(t-1)+L12*u1(t-2)
+d1*y2(t-1)+d2*y2(t-2)+L21*u2(t-1)+L22*u2(t-2)
y3(y)=e1*y3(t-1)+e2*y3(t-2)+M11*u1(t-1)+M12*u1(t-2)
+f1*y3(t-1)+f2*y3(t-2)+M21*u2(t-1)+M22*u2(t-2)
この実施例１では、燃料電池入口空気温度予測値と上限値、コンプレッサ吐出温度予測値と上限値、加湿器入口温度予測値と上限値の偏差をそれぞれ計算し、（上限値−予測値）の偏差が正で絶対値が最も小さいものを選択して補正量の演算に用いるようにした。一方、（上限値−予測値）の偏差が負である場合には、絶対値が最も大きいものを選択して補正量の演算に用いるようにした。また、この実施例１ではそれぞれの目標温度をそれぞれの上限温度としたので、目標温度と予測温度の偏差は上限温度との偏差となるようにした。

例えば、燃料電池入口空気温度予測値と上限温度の（上限値−予測値）の偏差が正で絶対が他に比べて最も小さい場合には、燃料電池入口空気温度と目標温度の偏差に基づいてＰＩ制御器で補正量を演算するようにした。これは、上限温度を行き過ぎる可能性が最も高いものを制御して、上限温度を逸脱させないようにするためである。また、燃料電池入口空気温度予測値と上限温度の（上限値−予測値）の偏差が負で絶対値が最も大きい場合には、燃料電池入口空気温度と目標温度の偏差に基づいてＰＩ制御器で補正量を演算するようにした。これは、上限温度を行き過ぎた量が最も多いものを制御して、上限温度を逸脱させないようにするためである。また、上記偏差が正であるもの（まだ行き過ぎていないが可能性が高い）と偏差が負（すでに行き過ぎている）のものでは、偏差が負のものを優先して選択するようにした。

一方、上記条件が複数あって一つを選択できないような場合には、燃料電池入口空気温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の順に優先して選択するようにした。この優先順位は、部品単体の温度耐性試験結果に基づいて、上限値を超えてもある程度は耐えることができるか否かに応じて決めた。上記の優先順位は、上限値を超えた場合に持ちこたえる能力が弱い順である。

また、上記説明の燃料電池空気入口温度は、燃料電池１と空気配管との接続部直近における温度としているが、燃料電池入口の配管部の温度としてもよいし、燃料電池マニホールド部の温度でもよい。この実施例１では、温度センサ１９は燃料電池入口配管部のほうが取付けやすいので、この温度を制御に使うようにしている。燃料電池マニホールド部の温度は、マニホールド部の材質ならびに厚さを用いて推定することが可能である。

空気流量と空気圧力の補正に続いて、燃料電池入口温度が低い場合には、空気流量の補正と空気圧力の補正に対してさらに補正を行う（ステップＳ２０５）。燃料電池入口温度が予め設定された所定温度以下の場合には、空気圧力の補正を優先して空気流量の補正は行わない。すなわち、燃料電池入口温度が所定温度以下の場合には空気圧力に対しての補正のみを実行し、空気圧力が高くなるようにして空気流量を少なくする。一方、燃料電池入口温度が所定温度以上の場合に空気圧力と空気流量の双方を補正する。

この温度補正は、図４（ａ）に示す制御ブロックにおいて、空気圧力ならびに空気流量に対して補正係数を設定して行う。空気圧力に対する補正係数は、図４（ｂ）に示すように、燃料電池入口空気温度に対して常に１に設定されて温度補正が行われるものとする。一方、空気流量に対する補正係数は、図４（ｃ）に示すように、燃料電池入口空気温度に対して予め設定された所定温度を境に所定温度以下の場合は０として温度補正を行わないようにする一方、所定温度以上の場合には１として温度補正が行われるようにしている。

最後に、図６に示すフローチャートに示すように、燃料電池入口温度が目標値（＝上限値）になったか否かを判断し、低温モードでの一連の空気の昇温動作を終了するか否かを判断する（ステップＳ２０６）。判断の結果、燃料電池入口温度が目標値（＝上限値）に到達した場合には、低温モードでのシステムの起動を終了する一方、到達していない場合には先のステップＳ２０３に戻る。

このように、上記実施例１では、コンプレッサ回転数と圧力調整弁開度を燃料電池入口の空気温度を目標温度まで昇温するように補正することで、低温時に燃料電池へ供給する空気を目標温度まで昇温することができ、燃料電池内で発電によって生成した水を氷結させないようにすることができる。この補正は、燃料電池入口温度、加湿器入口温度、コンプレッサ出口温度の上限温度を超えないようにしたので、それぞれの上限温度を超えないように空気を昇温することができる。

空気の目標流量と目標圧力を温度補正する際に、温度動特性を予測して補正量を算出するようにしたので、温度制御の遅れを防止することができ、これにより設定温度の超過を回避することができる。

上限温度を超えない場合に、コンプレッサ出口温度、加湿器入口温度、燃料電池入口温度のそれぞれの上限温度と予測値との差が最も小さいものが上限温度を超えないように補正するようにしたので、コンプレッサ出口温度、加湿器入口温度、燃料電池入口温度のそれぞれが上限温度を超えないようにすることが可能となる。

一方、上限温度を超えた場合には、コンプレッサ出口温度、加湿器入口温度、燃料電池入口温度のそれぞれの上限温度と予測値との差が最も大きいものが上限温度以下になるように補正するようにしたので、上限温度を超えた温度を速やかに上限温度以下にすることができる。

燃料電池入口空気温度が所定値以下の場合には、空気圧力のみが高くなるように補正するようにしたので、燃料電池１に供給される空気の流量を減らすことになり、冷えた空気が燃料電池１に供給されることで燃料電池１が冷え、発電により生成された生成水が氷結することを防止することができる。

図７は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例１の特徴とするところは、先の実施例１のシステムに比べて、燃料電池１の空気入口に空気供給装置６から排出された空気を外部に導出する空気バイパス部を設け、このバイパス部にコントロールユニットにより開閉制御されるバイパス弁３１を設け、空気バイパス部の温度を計測する温度センサ３０を設け、コントロールユニットの制御の下にバイパス弁３１の開閉を制御し、燃料電池１に供給される空気の昇温を制御するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。

次に、図８に示すフローチャートを参照して、システム起動時に燃料電池１に供給される空気の昇温制御処理の手順を説明する。なお、以下の説明では、図２に示す処理手順と同様の動作の説明は省略し、異なる部分のみを説明する。

図８において、先ず図２のステップＳ２００に加えて、バイパス弁３１を開放する（ステップＳ８００）。

続いて、図２に示すステップＳ２０１，Ｓ２０２と同様の処理（ステップＳ８０１，Ｓ８０２）を行った後、燃料電池入口空気温度をどの程度の温度まで昇温するのか目標温度を設定する（ステップＳ８０３）。この実施例２では、温度センサ３０で検出される燃料電池入口空気バイパス部温度、コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の目標温度を設定する。コンプレッサ吐出温度、加湿器入口温度の目標温度は、それぞれの目標温度をそれぞれの上限温度とした。空気バイパス部の目標温度は、図９に示すように、燃料電池入口空気温度上限値を所定量行き過ぎる（オーバーシュートする）値となるように設定し、例えば２０％程度の行き過ぎ量として、所定時間後には行き過ぎ量が０％となるようにした。

次に、先の実施例１では、前記（数１）で示す係数Ｋ１，Ｋ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｍ１，Ｍ２を求めたが、この実施例２では、燃料電池入口空気温度に代えて、燃料電池入口空気温度の予測と同様して、以下に示すように空気バイパス部温度を予測し、先の実施例１と同様に空気流量と空気圧力を補正する（ステップＳ８０４）。

（数３）
空気バイパス部温度＝ＫＫ１×コンプレッサ回転数＋ＫＫ２×圧力調整弁開度
上記式での係数ＫＫ１，ＫＫ２を求めて、空気バイパス部温度を予測するようにする。

なお、補正の優先順位は、コンプレッサ、加湿器、空気バイパス部温度の順とした。

次に、先の実施例１と同様に空気流量の補正と空気圧力の補正に対してさらに補正を行う（ステップＳ８０５）。この実施例２では、燃料電池入口温度に代えて、温度センサ３０で計測された空気バイパス部温度を用い、先の実施例１と同様にして温度補正を実行し、空気バイパス部温度が所定値以下の場合には、空気流量が少なくなるように補正する。

最後に、実施例１のステップＳ２０６で実行したシステム起動の終了判断に加えて、バイパス弁３１を閉じて、燃料電池１に空気を供給開始するか否かを判断する（ステップＳ８０６）。この判断は、図１０のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。図１０において、先ず温度センサ３０で検出された空気バイパス部の空気温度が予め設定された所定温度Ｔｈ２以上となり、図９に示すように、燃料電池入口空気温度上限値を行き過ぎたか否かを判断する（ステップＳ１０００）。

行き過ぎた場合には、続いて、図９に示すように、空気温度が低下して燃料電池入口空気温度上限値に整定したか否かを判断する（ステップＳ１００１）。整定したか否かの判断は、上限値と空気バイパス部の目標温度との偏差が所定値以内、例えば５％程度以内に収まったか否かとした。判断の結果、整定した場合には、バイパス弁３１を閉じて、（ステップＳ１００２）、システムの起動を終了する。

このように、上記実施例２では、先の実施例１と同様の効果を得ることができることに加えて、燃料電池入口空気温度が低く所定値以下の場合には、燃料電池１を空気がバイパスするようにしたので、冷えた空気が燃料電池１に供給されて燃料電池１が冷えて生成水が氷結することを防止することができる。

空気バイパス部の温度が燃料電池入口上限温度を行き過ぎるように補正するようにしたので、空気の昇温時間を短縮することができる。

空気バイパス部の温度の行き過ぎが整定し、空気バイパス部温度が燃料電池入口温度上限値以下になったときにバイパス弁３１閉じて、燃料電池１へ空気の供給を開始するようにしたので、燃料電池１に上限温度を超えた空気を供給しないようにすることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る処理動作の手順を示すフローチャートである。 システムを低温モードで起動するか否かを判断する手順を示すフローチャートである。 空気流量と空気圧力の温度補正を説明する制御ブロック図である。 コンプレッサの回転数と空気温度との関係における係数を示す図である。 燃料電池入口温度が目標値になったか否かを判断する手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る処理動作の手順を示すフローチャートである。 空気バイパス部の目標温度の変化を示す図である。 システム起動の終了判断、ならびに燃料電池に空気を供給開始するか否かを判断する手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２…水素供給タンク
３…水素圧力レギュレータ
４…パージ調整弁
５…水素循環ポンプ
６…空気供給装置
７…空気調圧弁
８…冷却水ポンプ
９…電力変換装置
１０…負荷装置
１１…バッテリ
１２…バッテリコントローラ
１３，１８…圧力センサ
１４，１５，１７，１９，２４，２８，２９，３０…温度センサ
１６，２１，２２…電圧センサ
２０，２３…電流センサ
２５…アフタークーラ
２６…加湿器
２７…流量センサ
３１…バイパス弁

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
   設定された流量と圧力で酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記酸化剤ガス供給手段で圧縮された酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、
   システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標空気流量と目標空気圧力を算出し、算出した目標空気流量と目標空気圧力で酸化剤ガスが前記燃料電池に供給されるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が所定値以下の低温時には、前記酸化剤ガス供給手段で酸化剤ガスを設定された圧力を圧縮して燃料電池入口酸化剤ガス温度を目標温度まで昇温する際に、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度のすべてがそれぞれの上限温度を超えないように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度の温度動特性を予測し、その予測温度とそれぞれ対応した上限温度との差を算出し、予測温度が上限温度以下の場合には上限温度との差が最も小さいものが上限温度を超えないように、前記酸化剤ガス供給手段を制御し、予測温度が上限温度を超える場合には、予測温度と上限温度との差が最も大きいものが上限温度以下になるように、前記酸化剤ガス供給手段を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池と、
   設定された流量と圧力で酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記酸化剤ガス供給手段で圧縮された酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、
   システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標空気流量と目標空気圧力を算出し、算出した目標空気流量と目標空気圧力で酸化剤ガスが前記燃料電池に供給されるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤ガス供給手段から導出された酸化剤ガスを選択的に分岐させる酸化剤ガスバイパス手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が所定値以下の低温時には、前記酸化剤ガス供給手段で酸化剤ガスを設定された圧力を圧縮して燃料電池入口酸化剤ガス温度を目標温度まで昇温する際に、前記酸化剤供給手段の出口酸化剤ガス温度、加湿器入口酸化剤ガス温度、ならびに燃料電池入口酸化剤ガス温度のすべてがそれぞれの上限温度を超えないように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、燃料電池入口酸化剤ガス温度が所定値以下の場合は、前記酸化剤ガスバイパス手段で酸化剤ガスを分岐させ、分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度を超えるように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、その後分岐する酸化剤ガスの温度の超過が整定されて分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度以下になったときに前記酸化剤ガスバイパス手段による酸化剤ガスの分岐を停止する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、燃料電池入口酸化剤ガス温度が所定値以下の場合には、酸化剤ガスの圧力を流量に優先させて圧力のみが高くなるように前記酸化剤ガス供給手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤ガス供給手段から導出された酸化剤ガスを選択的に分岐させる酸化剤ガスバイパス手段を備え、
   前記制御手段は、燃料電池入口酸化剤ガス温度が所定値以下の場合は、前記酸化剤ガスバイパス手段で酸化剤ガスを分岐させ、分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度を超えるように前記酸化剤ガス供給手段を制御し、その後分岐する酸化剤ガスの温度の超過が整定されて分岐する酸化剤ガスの温度が燃料電池入口上限温度以下になったときに前記酸化剤ガスバイパス手段による酸化剤ガスの分岐を停止する
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の燃料電池システム。

Images