JP4770104B2 - 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、水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムでは、上記電気化学反応のために、燃料電池内部の電解質膜が水分を含んだ状態にしておく必要がある。このため、燃料電池の外部に加湿器を設け、その加湿器にて燃料電池内の電解質膜を加湿することにより、電解質膜の導電性を確保して最大の電池出力が得られるようにしている。また、燃料電池の低温起動時には、電気ヒータにて加湿器および加湿器の周辺の配管を暖機することにより、低温起動時にも加湿可能にしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の温度が低いにもかかわらず加湿を開始した場合には、加湿のために供給した水分が燃料電池内部で凍結してしまい、その結果、低温起動時に最大の電池出力が得られるようになるまでに、長い時間がかかってしまうという問題があった。
【０００４】
また、燃料電池の起動時には、電気ヒータは二次電池から電力が供給されるが、その際電気ヒータでの使用電力が制限されるため、低温起動時に加湿器および周辺配管の凍結状態が回避されて加湿可能になるまでに長い時間がかかり、従って、低温起動時に最大の電池出力が得られるようになるまでに、長い時間がかかってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料極に供給される水素と空気極に供給される酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池（１０）を備え、燃料電池（１０）と熱交換する熱媒体を燃料電池（１０）の内部と燃料電池（１０）の外部との間で循環させる燃料電池システムにおいて、水素と酸素との反応熱により熱媒体を加熱する水素ヒータ（６０）を備え、燃料電池（１０）の出口部の熱媒体の温度が設定温度を超えたときに、水素ヒータ（６０）の排気ガスが燃料極および空気極のうちの少なくとも一方に供給されて、燃料極および空気極のうちの少なくとも一方が水素ヒータ（６０）の排気ガスにより加湿されることを特徴とする。
【０００７】
ところで、燃料電池の出口部での熱媒体の温度と燃料電池の発電部の温度とは相関があり、燃料電池の出口部での熱媒体の温度がある温度を超えると、燃料電池の発電部での水分の凍結が発生しない温度条件になったものと推定することができる。
【０００８】
従って、請求項１の発明によれば、燃料電池の発電部において水分の凍結が発生しない温度条件になった時点で加湿を開始することができ、水分の凍結を回避することができるため、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようになる。
【００１０】
また、水素ヒータの排気ガスは水蒸気を含むため、氷点下の環境下において加湿器が十分に性能を発揮できない場合においても、燃料電池の加湿を行うことができる。また、水素ヒータの排気ガスは高温であるため、加湿を行っても水分の凍結が発生し難く、燃料電池の発電部の温度が低い時点で加湿を開始することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、加湿を行った場合に凝縮が発生するか否かを推定し、凝縮が発生しないと推定したときに加湿を行うことを特徴とする。
【００１２】
これによると、燃料電池の発電部での水分の凍結を確実に回避することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、水素ヒータ（６０）に供給される水素の量が、水素ヒータ（６０）に供給される酸素との反応に必要な量よりも多く設定され、水素ヒータ（６０）の排気ガスが、燃料極に供給されることを特徴とする。
【００１４】
これによると、水素ヒータで未反応の水素は燃料電池での発電に利用されるが、その未反応のまま燃料電池に供給される水素は水素ヒータにて高温化されているため、多くの水蒸気を含むことができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、水素ヒータ（６０）の排気ガスの温度が設定温度以下になるように、水素ヒータ（６０）に供給される空気の量が制御されることを特徴とする。
【００１６】
これによると、例えば水素ヒータの排気ガスの温度が設定温度を超えた場合には空気供給量を増加することにより、過剰な空気によって熱が奪われて排気ガスの温度が低下するため、燃料電池の耐熱温度を超える排気ガスが燃料電池に供給されるのを防止して、燃料電池の破壊を防止することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、水素ヒータ（６０）に供給される水素の量が、燃料電池（１０）の発電に必要な量と、水素ヒータ（６０）に供給される酸素との反応に必要な量とに基づいて決定されることを特徴とする。
【００１８】
これによると、燃料ロスを少なくすることができる。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下に説明する第２〜第７実施形態が特許請求の範囲に記載した発明の実施形態であり、第１実施形態は本発明の前提となる実施形態である。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１、図２に基づいて説明する。図１は燃料電池システムの全体構成を示しており、この燃料電池システムは、燃料電池１０を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用される。
【００２１】
図１において、燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので、本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、燃料極に水素が供給され、空気極に空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２２】
（燃料極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（空気極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１０には、空気極側に空気を供給するための空気流路２０が接続されており、図示しない空気ポンプにより大気中から吸入した空気が、空気流路２０を介して燃料電池１０に圧送されるようになっている。
【００２３】
空気流路２０には、空気流路２０を通る空気中に水分を供給する加湿器２１が設けられている。この空気流路２０は、加湿器２１をバイパスするバイパス空気流路２２を備えており、このバイパス空気流路２２には、バイパス空気流路２２を開閉するバイパス空気流路開閉弁２３が設けられている。
【００２４】
また、燃料電池１０には、燃料極側に水素を供給するための燃料流路３０が接続されており、図示しない水素ボンベに充填された水素が、燃料流路３０を介して燃料電池１０に圧送されるようになっている。
【００２５】
燃料流路３０には、燃料流路３０を通る水素中に水分を供給する加湿器３１が設けられている。また、燃料流路３０は、加湿器３１をバイパスするバイパス燃料流路３２を備えており、このバイパス燃料流路３２には、バイパス燃料流路３２を開閉するバイパス燃料流路開閉弁３３が設けられている。
【００２６】
燃料電池１０には、熱媒体としての冷却水を燃料電池１０の内部と燃料電池１０の外部との間で循環させる冷却水流路４０が接続されている。そして、冷却水は、燃料電池１０の内部を通る際には、発電の際に発生した熱により加熱された燃料電池１０と熱交換すると共に、燃料電池１０の外部を通る際には、図示しないラジエータに循環して外気と熱交換され冷却される。なお、冷却水としては、一般的な不凍液冷却水を用いることができる。
【００２７】
冷却水流路４０のうち燃料電池１０からの出口部には、燃料電池１０出口部での冷却水の温度（以下、冷却水出口温度という）、換言すると、燃料電池１０と熱交換した後の冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ４１が設けられている。
【００２８】
制御部（ＥＣＵ）５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部５０には、冷却水温度センサ４１からの冷却水温信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいてバイパス空気流路開閉弁２３およびバイパス燃料流路開閉弁３３に制御信号を出力する。
【００２９】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図１および図２に基づいて説明する。なお、図２は制御部５０にて実行される制御処理のうち、燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図である。
【００３０】
まず、燃料電池１０の運転開始に伴い、燃料電池１０の暖機が開始される（ステップＳ１０）。具体的には、燃料流路３０中の水素に空気を混入し、燃料極での触媒反応にて発生する熱により燃料電池１０を暖機する。因みに、この時点では、バイパス空気流路開閉弁２３およびバイパス燃料流路開閉弁３３は共に開弁状態であり、従って、空気は加湿器２１側の空気流路２０およびバイパス空気流路２２を介して燃料電池１０に供給され、また、水素は加湿器３１側の燃料流路３０およびバイパス燃料流路３２を介して燃料電池１０に供給される。
【００３１】
燃料電池１０の暖機が進み、冷却水出口温度が第１設定温度（本例では、０℃）を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、加湿を開始する（ステップＳ２０）。具体的には、バイパス空気流路開閉弁２３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される空気を全量加湿器２１に通すことにより、空気極の加湿を行い、また、バイパス燃料流路開閉弁３３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される水素を全量加湿器３１に通すことにより、燃料極の加湿を行う。
【００３２】
ここで、燃料電池１０の空気極および燃料極近傍の温度は冷却水出口温度よりも高いため、冷却水出口温度が０℃を超えた時点では空気極および燃料極の温度も０℃を超えており、燃料電池１０は水分の凍結が発生しない温度条件になっている。
【００３３】
従って、冷却水出口温度が０℃を超えた時点で加湿を開始することにより、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、燃料電池１０内の電解質膜を加湿することができ、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようになる。
【００３４】
（第２実施形態）
本実施形態は、低温起動時に加湿を行うための具体的構成が第１実施形態とは異なっている。図３は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図４は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、第１実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
図３に示すように、本実施形態では、低温起動時に燃料電池１０を素早く昇温させるために、冷却水を加熱する水素ヒータ６０、および冷却水を循環させる冷却水ポンプ４２が、冷却水流路４０中に設けられている。この水素ヒータ６０は、水素ボンベ７０に充填された水素と大気中の酸素とを反応させて発熱するものであり、その反応熱により冷却水を加熱するようになっている。
【００３６】
水素ヒータ６０の排気ガスは、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に導かれるようになっており、排気ガス投入量は、排気ガス流路８０に設けた排気ガス量調整弁８１により調整される。
【００３７】
燃料電池１０の出力電圧を検出する電池モニタ１１が設けられ、電池モニタ１１の出力電圧信号が制御部５０に入力されるようになっている。また、加湿器２１、３１は電気ヒータを内蔵している。
【００３８】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図３および図４に基づいて説明する。
【００３９】
まず、燃料電池１０の運転開始に伴い、水素ヒータ６０の運転を開始して冷却水を加熱すると共に（ステップＳ３０）、冷却水ポンプ４２の運転を開始して冷却水流路４０内で冷却水を循環させることにより（ステップＳ３１）、ステップＳ１０にて燃料電池１０を外部から暖機する。
【００４０】
そして、燃料電池１０の暖機が進み、冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、高温で且つ水蒸気を含む水素ヒータ６０の排気ガスを、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に投入する（ステップＳ４０）。
【００４１】
このように、水素ヒータ６０の排気ガスは水蒸気を含むため、氷点下の環境下において加湿器２１、３１が十分に性能を発揮できない場合においても、燃料電池１０の加湿を行うことができる。また、水素ヒータ６０の排気ガスは高温であるため、加湿を行っても水分の凍結が発生し難く、従って、燃料電池１０の発電部の温度が低い時点で加湿を開始することができる。
【００４２】
次に、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ５０）、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ５１がＮＯ）、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの量を増加させて（ステップＳ５２）、加湿量を増加させる。
【００４３】
そして、燃料電池１０の出力が目標出力以上であれば（ステップＳ５１がＹＥＳ）、暖機および加湿が十分に行われていると判断し、加湿方法の切り替え、すなわち、加湿器２１、３１による加湿へ移行するための制御を行う。
【００４４】
まず、図示しない二次電池から加湿器２１、３１の電気ヒータに電力を供給し、加湿器２１、３１の暖機を開始する（ステップＳ６０）。次に、図示しない温度センサにより加湿器２１、３１の温度を検出し（ステップＳ６１）、加湿器２１、３１の温度が第２設定温度（本例では、凍結しない温度、すなわち０℃）以上になったら（ステップＳ６２がＹＥＳ）、加湿器２１、３１の使用が可能であると判断し、加湿方法の切り替えを行う（ステップＳ６３、６４）。
【００４５】
すなわち、バイパス空気流路開閉弁２３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される空気を全量加湿器２１に通すことにより、空気極の加湿を行い、また、バイパス燃料流路開閉弁３３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される水素を全量加湿器３１に通すことにより、燃料極の加湿を行う（ステップＳ６３）。また、燃料流路３０への水素ヒータ排気ガスの投入を終了する（ステップＳ６４）。
【００４６】
本実施形態によると、冷却水出口温度が０℃を超えた時点で加湿を開始することにより、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、燃料電池１０内の電解質膜を加湿することができ、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようになる。
【００４７】
なお、本実施形態では、燃料電池１０の出力が目標出力以上になってから加湿器２１、３１の暖機を開始するようにしたが、燃料電池１０の出力が出始めた時点で加湿器２１、３１の暖機を開始してもよい。また、加湿器２１、３１の電気ヒータの駆動電力は燃料電池１０の発電電力を用いてもよい。
【００４８】
さらに、加湿器２１、３１の暖機手段として、水素ヒータ６０の排気ガス、燃料電池１０の排気ガス（水素、空気）、冷却水流路４０の温められた冷却水等を利用した暖機手段を用いてもよい。
【００４９】
（第３実施形態）
本実施形態は、低温起動時の加湿許可条件が第２実施形態とは異なっている。図５は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図６は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、第２実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
図５に示すように、本実施形態では、排気ガス流路８０中に、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの露点を検出する露点計８２を備えている。また、燃料流路３０における排気ガス流路８０の接続部と燃料電池１０との間（以下、水素入口部という）には、水素入口部内を通る水素の温度Ｔ１を検出する水素入口部温度センサ３４と、水素入口部の配管を加熱する電気ヒータ３５とを備えている。
【００５１】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図５および図６に基づいて説明する。
【００５２】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、ステップＳ７０以下にて、加湿を行うか否かを決定する。
【００５３】
ステップＳ１１がＹＥＳになると、水素入口部温度センサ３４にて水素入口部の水素温度Ｔ１を検出し（ステップＳ７０）、露点計８２にて排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの露点を検出し（ステップＳ７１）、水素入口部の水素温度Ｔ１、および排気ガスの露点に基づいて、水素入口部にて水蒸気の凝縮が発生するか否かを判断する（ステップＳ７２）。
【００５４】
凝縮が発生しないと判断した場合は（ステップＳ７２がＮＯ）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、水素ヒータ６０の排気ガスを、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に投入する（ステップＳ７３）。このように、凝縮が発生しないと推定される条件下で加湿を行うことにより、水分の凍結を確実に回避することができる。
【００５５】
また、凝縮が発生すると判断した場合でも（ステップＳ７２がＹＥＳ）、水素入口部の水素温度Ｔ１が第３設定温度（本例では、凍結しない温度、すなわち０℃）を超えていれば（ステップＳ７４がＹＥＳ）、水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に投入する（ステップＳ７３）。このように、水素入口部の水素温度Ｔ１が０℃を超えている場合に加湿を行うことにより、水分の凍結を確実に回避することができる。
【００５６】
水素入口部の水素温度Ｔ１が第３設定温度以下の場合は（ステップＳ７４がＮＯ）、電気ヒータ３５に通電して水素入口部を暖機し（ステップＳ７５）、水素入口部の水素を昇温させる。
【００５７】
水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に投入後（ステップＳ７３）、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ７６）、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ７７がＮＯ）、ステップＳ７０に戻る。
【００５８】
本実施形態によると、凝縮が発生しないと推定される条件下で加湿を行い、また、凝縮が発生すると推定される場合でも、水素入口部温度Ｔ１が０℃を超えている場合に加湿を行うため、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、より広範囲の条件下で燃料電池１０内の電解質膜の加湿を行うことができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、水素入口部の配管を加熱する加熱手段として、電気ヒータ３５を用いたが、例えば冷却水流路４０の温められた冷却水等を利用した加熱手段を用いてもよい。
【００６０】
さらに、露点計８２の代わりに、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの湿度を検出する湿度計を用い、水素入口部の水素温度Ｔ１、および排気ガスの湿度に基づいて、水素入口部にて凝縮が発生するか否かを判断するようにしてもよい。
【００６１】
（第４実施形態）
本実施形態は、加湿開始後に水素流路３０にて凝縮が発生しているか否かを推定するようにした点が第３実施形態とは異なっている。図７は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図８は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、第３実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６２】
図７に示すように、本実施形態では、大気中の空気を吸入・圧縮して排気ガス流路８０中に供給するエアコンプレッサ９０を備えている。
【００６３】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図７および図８に基づいて説明する。
【００６４】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、ステップＳ８０以下にて、加湿開始後に水素入口部にて凝縮が発生しているか否かを推定して所定の制御を行う。
【００６５】
ステップＳ１１がＹＥＳになると、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、水素ヒータ６０の排気ガスを、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に投入し（ステップＳ８０）、水素入口部温度センサ３４にて水素入口部の水素温度Ｔ１を検出（ステップＳ８１）する。
【００６６】
そして、水素入口部の水素温度Ｔ１が上昇傾向にある場合（ステップＳ８２がＹＥＳ）、水素入口部の水素温度Ｔ１にかかわらず、水素ヒータ６０の排気ガスの水蒸気凝縮による配管閉塞が発生していないと判断する。
【００６７】
次に、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ８３）、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ８４がＮＯ）、ステップＳ８０に戻る。
【００６８】
一方、水素入口部の水素温度Ｔ１が上昇傾向にない場合（ステップＳ８２がＮＯ）、水蒸気の凝縮が発生している恐れがある。そこで、エアコンプレッサ９０により昇温された空気を排気ガス流路８０中に供給し（ステップＳ８５）、これにより、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスを昇温させ、水蒸気の凝縮が発生するのを防止する。
【００６９】
本実施形態によると、水蒸気の凝縮が発生していると推定される場合、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスを昇温させて、水蒸気の凝縮が発生するのを防止するため、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、より広範囲の条件下で燃料電池１０内の電解質膜の加湿を行うことができる。
【００７０】
（第５実施形態）
本実施形態は、発電に利用される水素の一部ないしは全部を水素ヒータ６０にて高温化して供給するようにしたものである。図９は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図１０は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、上記各実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
図９に示すように、本実施形態では、水素ヒータ６０と水素ボンベ７０との間に、水素ヒータ６０への水素供給量を調整する水素量調整弁７１を備えている。
【００７２】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図９および図１０に基づいて説明する。
【００７３】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ９０）、水素ヒータ６０に供給される空気との反応に必要な水素の量（以下、必要水素量という）を算出し（ステップＳ９１）、発電に利用するための水素の量（以下、余剰水素量という）を算出し（ステップＳ９２）、必要水素量と余剰水素量とを合計した量の水素を水素ヒータ６０に供給し（ステップＳ９３）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に供給する（ステップＳ９４）。
【００７４】
ここで、余剰水素量分の水素は未反応のまま燃料流路３０に供給されて、燃料電池１０での発電に利用される。そして、その未反応のまま燃料流路３０に供給される水素は水素ヒータ６０にて高温化されているため、多くの水蒸気を含むことができる。
【００７５】
次に、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ９５がＮＯ）、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの量を増加させて（ステップＳ９６）、加湿量を増加させる。
【００７６】
本実施形態によると、発電に利用される水素の一部ないしは全部が水素ヒータ６０にて高温化されているため、多くの水蒸気を含むことができる。
【００７７】
（第６実施形態）
本実施形態は、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの温度を設定温度以下に制御するようにしたものである。図１１は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図１２は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、上記各実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７８】
図１１に示すように、本実施形態では、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサ８３と、大気中の空気を吸入・圧縮して水素ヒータ６０に供給するエアコンプレッサ１００を備えている。エアコンプレッサ１００は、図示しない電動モータによって駆動され、回転数制御によって空気供給量が制御されるようになっている。
【００７９】
そして、水素ヒータ６０に供給される混合気（水素と空気）の空気過剰率を１以上にすることにより、水素ヒータ６０の排気ガスを余剰の空気により冷却して、水素ヒータ６０の排気ガスの温度を設定温度以下に制御するようにしている。このように水素ヒータ６０の排気ガスは余剰の空気を含むため、排気ガス流路８０を空気流路２０に接続し、水素ヒータ６０の排気ガスを空気流路２０に導くようにしている。
【００８０】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図１１および図１２に基づいて説明する。
【００８１】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、排気ガス温度センサ８３により排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの温度を検出する（ステップＳ１００）。
【００８２】
次に、水素ヒータ６０の排気ガスの温度が第４設定温度（本例では、燃料電池１０の耐熱温度、例えば８０℃）以下になるように、水素ヒータ６０に供給される混合気の空気過剰率を算出し（ステップＳ１０１）、その算出した空気過剰率に調整された混合気を水素ヒータ６０に供給する（ステップＳ１０２）。
【００８３】
次に、再度排気ガス温度センサ８３により水素ヒータ６０の排気ガスの温度を検出し（ステップＳ１０３）、その温度が第４設定温度以下であれば（ステップＳ１０４がＹＥＳ）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に投入する（ステップＳ１０５）。
【００８４】
一方、水素ヒータ６０の排気ガスの温度が第４設定温度を超えている場合（ステップＳ１０４がＮＯ）、エアコンプレッサ１００の回転数を上げて水素ヒータ６０への空気供給量を増加することにより（ステップＳ１０６）、水素ヒータ６０の排気ガスを余剰の空気により冷却する。
【００８５】
本実施形態によると、水素ヒータ６０の排気ガスの温度が設定温度を超えた場合には空気供給量を増加することにより、過剰な空気によって熱が奪われて排気ガスの温度が低下するため、燃料電池１０の耐熱温度を超える排気ガスが燃料電池１０に供給されるのを防止して、燃料電池１０の破壊を防止することができる。
【００８６】
（第７実施形態）
図１３は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図１４は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、上記各実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
図１３に示すように、本実施形態は、電気自動車における図示しないアクセルペダルの開度（踏み込み量）を検出するアクセル開度センサ１１０を備えている。そして、制御部５０は、アクセル開度センサ１１０からの信号等に基づいて、燃料電池１０の目標出力を算出し、さらに、その目標出力を得るために燃料電池１０が必要とする水素の量を算出するようになっている。
【００８８】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図１３および図１４に基づいて説明する。
【００８９】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、アクセル開度センサ１１０にてアクセルペダルの開度を検出する（ステップＳ１１０）。
【００９０】
次に、目標出力を得るために燃料電池１０が必要とする水素の量と、水素ヒータ６０に供給される空気との反応に必要な水素の量との、合計水素量を算出し（ステップＳ１１１）、その合計水素量分の水素を水素ヒータ６０に供給し（ステップＳ１１２）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に供給する（ステップＳ１１３）。ここで、水素ヒータ６０で未反応の水素は燃料電池１０での発電に利用される。
【００９１】
次に、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ１１４がＮＯ）、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの量を増加させて（ステップＳ１１５）、加湿量を増加させる。
【００９２】
本実施形態によると、水素ヒータ６０に供給する水素の量を、目標出力を得るために燃料電池１０が必要とする水素の量と、水素ヒータ６０に供給される空気との反応に必要な水素の量とに基づいて決定しているため、燃料ロスを少なくすることができる。
【００９３】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、水素ヒータ６０の排気ガスを空気流路２０および燃料流路３０のうちの一方に導くようにしたが、水素ヒータ６０の排気ガスを空気流路２０および燃料流路３０の両方に導くようにしてもよい。
【００９４】
また、燃料電池１０の起動時には、燃料電池１０の暖機と同時に電気ヒータ等の加熱手段により加湿器２１、３１および周辺配管の暖機も行い、燃料電池システム全体を加熱した後、加湿を開始するようにしてもよい。
【００９５】
また、燃料電池内部の温度に関連する温度を検出する対象として燃料電池出口部の熱交換媒体としたが、例えば燃料電池の入口部の熱交換媒体の温度を検出してもよいし、燃料電池自体の温度を検出してもよいし、あるいは、外気温を検出しても勿論よい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図４】図３の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図６】図５の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図７】第４実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図８】図７の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図１０】図９の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図１１】第６実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図１２】図１１の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図１３】第７実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図１４】図１３の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２１、３１…加湿器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムでは、上記電気化学反応のために、燃料電池内部の電解質膜が水分を含んだ状態にしておく必要がある。このため、燃料電池の外部に加湿器を設け、その加湿器にて燃料電池内の電解質膜を加湿することにより、電解質膜の導電性を確保して最大の電池出力が得られるようにしている。また、燃料電池の低温起動時には、電気ヒータにて加湿器および加湿器の周辺の配管を暖機することにより、低温起動時にも加湿可能にしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の温度が低いにもかかわらず加湿を開始した場合には、加湿のために供給した水分が燃料電池内部で凍結してしまい、その結果、低温起動時に最大の電池出力が得られるようになるまでに、長い時間がかかってしまうという問題があった。
【０００４】
また、燃料電池の起動時には、電気ヒータは二次電池から電力が供給されるが、その際電気ヒータでの使用電力が制限されるため、低温起動時に加湿器および周辺配管の凍結状態が回避されて加湿可能になるまでに長い時間がかかり、従って、低温起動時に最大の電池出力が得られるようになるまでに、長い時間がかかってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料極に供給される水素と空気極に供給される酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池（１０）を備え、燃料電池（１０）と熱交換する熱媒体を燃料電池（１０）の内部と燃料電池（１０）の外部との間で循環させる燃料電池システムにおいて、水素と酸素との反応熱により熱媒体を加熱する水素ヒータ（６０）を備え、燃料電池（１０）の出口部の熱媒体の温度が設定温度を超えたときに、水素ヒータ（６０）の排気ガスが燃料極および空気極のうちの少なくとも一方に供給されて、燃料極および空気極のうちの少なくとも一方が水素ヒータ（６０）の排気ガスにより加湿されることを特徴とする。
【０００７】
ところで、燃料電池の出口部での熱媒体の温度と燃料電池の発電部の温度とは相関があり、燃料電池の出口部での熱媒体の温度がある温度を超えると、燃料電池の発電部での水分の凍結が発生しない温度条件になったものと推定することができる。
【０００８】
従って、請求項１の発明によれば、燃料電池の発電部において水分の凍結が発生しない温度条件になった時点で加湿を開始することができ、水分の凍結を回避することができるため、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようになる。
【００１０】
また、水素ヒータの排気ガスは水蒸気を含むため、氷点下の環境下において加湿器が十分に性能を発揮できない場合においても、燃料電池の加湿を行うことができる。また、水素ヒータの排気ガスは高温であるため、加湿を行っても水分の凍結が発生し難く、燃料電池の発電部の温度が低い時点で加湿を開始することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、加湿を行った場合に凝縮が発生するか否かを推定し、凝縮が発生しないと推定したときに加湿を行うことを特徴とする。
【００１２】
これによると、燃料電池の発電部での水分の凍結を確実に回避することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、水素ヒータ（６０）に供給される水素の量が、水素ヒータ（６０）に供給される酸素との反応に必要な量よりも多く設定され、水素ヒータ（６０）の排気ガスが、燃料極に供給されることを特徴とする。
【００１４】
これによると、水素ヒータで未反応の水素は燃料電池での発電に利用されるが、その未反応のまま燃料電池に供給される水素は水素ヒータにて高温化されているため、多くの水蒸気を含むことができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、水素ヒータ（６０）の排気ガスの温度が設定温度以下になるように、水素ヒータ（６０）に供給される空気の量が制御されることを特徴とする。
【００１６】
これによると、例えば水素ヒータの排気ガスの温度が設定温度を超えた場合には空気供給量を増加することにより、過剰な空気によって熱が奪われて排気ガスの温度が低下するため、燃料電池の耐熱温度を超える排気ガスが燃料電池に供給されるのを防止して、燃料電池の破壊を防止することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、水素ヒータ（６０）に供給される水素の量が、燃料電池（１０）の発電に必要な量と、水素ヒータ（６０）に供給される酸素との反応に必要な量とに基づいて決定されることを特徴とする。
【００１８】
これによると、燃料ロスを少なくすることができる。
【００１９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下に説明する第２〜第７実施形態が特許請求の範囲に記載した発明の実施形態であり、第１実施形態は本発明の前提となる実施形態である。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１、図２に基づいて説明する。図１は燃料電池システムの全体構成を示しており、この燃料電池システムは、燃料電池１０を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用される。
【００２１】
図１において、燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので、本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、燃料極に水素が供給され、空気極に空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２２】
（燃料極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（空気極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１０には、空気極側に空気を供給するための空気流路２０が接続されており、図示しない空気ポンプにより大気中から吸入した空気が、空気流路２０を介して燃料電池１０に圧送されるようになっている。
【００２３】
空気流路２０には、空気流路２０を通る空気中に水分を供給する加湿器２１が設けられている。この空気流路２０は、加湿器２１をバイパスするバイパス空気流路２２を備えており、このバイパス空気流路２２には、バイパス空気流路２２を開閉するバイパス空気流路開閉弁２３が設けられている。
【００２４】
また、燃料電池１０には、燃料極側に水素を供給するための燃料流路３０が接続されており、図示しない水素ボンベに充填された水素が、燃料流路３０を介して燃料電池１０に圧送されるようになっている。
【００２５】
燃料流路３０には、燃料流路３０を通る水素中に水分を供給する加湿器３１が設けられている。また、燃料流路３０は、加湿器３１をバイパスするバイパス燃料流路３２を備えており、このバイパス燃料流路３２には、バイパス燃料流路３２を開閉するバイパス燃料流路開閉弁３３が設けられている。
【００２６】
燃料電池１０には、熱媒体としての冷却水を燃料電池１０の内部と燃料電池１０の外部との間で循環させる冷却水流路４０が接続されている。そして、冷却水は、燃料電池１０の内部を通る際には、発電の際に発生した熱により加熱された燃料電池１０と熱交換すると共に、燃料電池１０の外部を通る際には、図示しないラジエータに循環して外気と熱交換され冷却される。なお、冷却水としては、一般的な不凍液冷却水を用いることができる。
【００２７】
冷却水流路４０のうち燃料電池１０からの出口部には、燃料電池１０出口部での冷却水の温度（以下、冷却水出口温度という）、換言すると、燃料電池１０と熱交換した後の冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ４１が設けられている。
【００２８】
制御部（ＥＣＵ）５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部５０には、冷却水温度センサ４１からの冷却水温信号が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいてバイパス空気流路開閉弁２３およびバイパス燃料流路開閉弁３３に制御信号を出力する。
【００２９】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図１および図２に基づいて説明する。なお、図２は制御部５０にて実行される制御処理のうち、燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図である。
【００３０】
まず、燃料電池１０の運転開始に伴い、燃料電池１０の暖機が開始される（ステップＳ１０）。具体的には、燃料流路３０中の水素に空気を混入し、燃料極での触媒反応にて発生する熱により燃料電池１０を暖機する。因みに、この時点では、バイパス空気流路開閉弁２３およびバイパス燃料流路開閉弁３３は共に開弁状態であり、従って、空気は加湿器２１側の空気流路２０およびバイパス空気流路２２を介して燃料電池１０に供給され、また、水素は加湿器３１側の燃料流路３０およびバイパス燃料流路３２を介して燃料電池１０に供給される。
【００３１】
燃料電池１０の暖機が進み、冷却水出口温度が第１設定温度（本例では、０℃）を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、加湿を開始する（ステップＳ２０）。具体的には、バイパス空気流路開閉弁２３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される空気を全量加湿器２１に通すことにより、空気極の加湿を行い、また、バイパス燃料流路開閉弁３３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される水素を全量加湿器３１に通すことにより、燃料極の加湿を行う。
【００３２】
ここで、燃料電池１０の空気極および燃料極近傍の温度は冷却水出口温度よりも高いため、冷却水出口温度が０℃を超えた時点では空気極および燃料極の温度も０℃を超えており、燃料電池１０は水分の凍結が発生しない温度条件になっている。
【００３３】
従って、冷却水出口温度が０℃を超えた時点で加湿を開始することにより、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、燃料電池１０内の電解質膜を加湿することができ、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようになる。
【００３４】
（第２実施形態）
本実施形態は、低温起動時に加湿を行うための具体的構成が第１実施形態とは異なっている。図３は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図４は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、第１実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
図３に示すように、本実施形態では、低温起動時に燃料電池１０を素早く昇温させるために、冷却水を加熱する水素ヒータ６０、および冷却水を循環させる冷却水ポンプ４２が、冷却水流路４０中に設けられている。この水素ヒータ６０は、水素ボンベ７０に充填された水素と大気中の酸素とを反応させて発熱するものであり、その反応熱により冷却水を加熱するようになっている。
【００３６】
水素ヒータ６０の排気ガスは、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に導かれるようになっており、排気ガス投入量は、排気ガス流路８０に設けた排気ガス量調整弁８１により調整される。
【００３７】
燃料電池１０の出力電圧を検出する電池モニタ１１が設けられ、電池モニタ１１の出力電圧信号が制御部５０に入力されるようになっている。また、加湿器２１、３１は電気ヒータを内蔵している。
【００３８】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図３および図４に基づいて説明する。
【００３９】
まず、燃料電池１０の運転開始に伴い、水素ヒータ６０の運転を開始して冷却水を加熱すると共に（ステップＳ３０）、冷却水ポンプ４２の運転を開始して冷却水流路４０内で冷却水を循環させることにより（ステップＳ３１）、ステップＳ１０にて燃料電池１０を外部から暖機する。
【００４０】
そして、燃料電池１０の暖機が進み、冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、高温で且つ水蒸気を含む水素ヒータ６０の排気ガスを、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に投入する（ステップＳ４０）。
【００４１】
このように、水素ヒータ６０の排気ガスは水蒸気を含むため、氷点下の環境下において加湿器２１、３１が十分に性能を発揮できない場合においても、燃料電池１０の加湿を行うことができる。また、水素ヒータ６０の排気ガスは高温であるため、加湿を行っても水分の凍結が発生し難く、従って、燃料電池１０の発電部の温度が低い時点で加湿を開始することができる。
【００４２】
次に、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ５０）、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ５１がＮＯ）、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの量を増加させて（ステップＳ５２）、加湿量を増加させる。
【００４３】
そして、燃料電池１０の出力が目標出力以上であれば（ステップＳ５１がＹＥＳ）、暖機および加湿が十分に行われていると判断し、加湿方法の切り替え、すなわち、加湿器２１、３１による加湿へ移行するための制御を行う。
【００４４】
まず、図示しない二次電池から加湿器２１、３１の電気ヒータに電力を供給し、加湿器２１、３１の暖機を開始する（ステップＳ６０）。次に、図示しない温度センサにより加湿器２１、３１の温度を検出し（ステップＳ６１）、加湿器２１、３１の温度が第２設定温度（本例では、凍結しない温度、すなわち０℃）以上になったら（ステップＳ６２がＹＥＳ）、加湿器２１、３１の使用が可能であると判断し、加湿方法の切り替えを行う（ステップＳ６３、６４）。
【００４５】
すなわち、バイパス空気流路開閉弁２３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される空気を全量加湿器２１に通すことにより、空気極の加湿を行い、また、バイパス燃料流路開閉弁３３を閉弁させて、燃料電池１０に供給される水素を全量加湿器３１に通すことにより、燃料極の加湿を行う（ステップＳ６３）。また、燃料流路３０への水素ヒータ排気ガスの投入を終了する（ステップＳ６４）。
【００４６】
本実施形態によると、冷却水出口温度が０℃を超えた時点で加湿を開始することにより、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、燃料電池１０内の電解質膜を加湿することができ、低温起動時にも短時間で最大の電池出力が得られるようになる。
【００４７】
なお、本実施形態では、燃料電池１０の出力が目標出力以上になってから加湿器２１、３１の暖機を開始するようにしたが、燃料電池１０の出力が出始めた時点で加湿器２１、３１の暖機を開始してもよい。また、加湿器２１、３１の電気ヒータの駆動電力は燃料電池１０の発電電力を用いてもよい。
【００４８】
さらに、加湿器２１、３１の暖機手段として、水素ヒータ６０の排気ガス、燃料電池１０の排気ガス（水素、空気）、冷却水流路４０の温められた冷却水等を利用した暖機手段を用いてもよい。
【００４９】
（第３実施形態）
本実施形態は、低温起動時の加湿許可条件が第２実施形態とは異なっている。図５は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図６は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、第２実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５０】
図５に示すように、本実施形態では、排気ガス流路８０中に、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの露点を検出する露点計８２を備えている。また、燃料流路３０における排気ガス流路８０の接続部と燃料電池１０との間（以下、水素入口部という）には、水素入口部内を通る水素の温度Ｔ１を検出する水素入口部温度センサ３４と、水素入口部の配管を加熱する電気ヒータ３５とを備えている。
【００５１】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図５および図６に基づいて説明する。
【００５２】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、ステップＳ７０以下にて、加湿を行うか否かを決定する。
【００５３】
ステップＳ１１がＹＥＳになると、水素入口部温度センサ３４にて水素入口部の水素温度Ｔ１を検出し（ステップＳ７０）、露点計８２にて排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの露点を検出し（ステップＳ７１）、水素入口部の水素温度Ｔ１、および排気ガスの露点に基づいて、水素入口部にて水蒸気の凝縮が発生するか否かを判断する（ステップＳ７２）。
【００５４】
凝縮が発生しないと判断した場合は（ステップＳ７２がＮＯ）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、水素ヒータ６０の排気ガスを、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に投入する（ステップＳ７３）。このように、凝縮が発生しないと推定される条件下で加湿を行うことにより、水分の凍結を確実に回避することができる。
【００５５】
また、凝縮が発生すると判断した場合でも（ステップＳ７２がＹＥＳ）、水素入口部の水素温度Ｔ１が第３設定温度（本例では、凍結しない温度、すなわち０℃）を超えていれば（ステップＳ７４がＹＥＳ）、水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に投入する（ステップＳ７３）。このように、水素入口部の水素温度Ｔ１が０℃を超えている場合に加湿を行うことにより、水分の凍結を確実に回避することができる。
【００５６】
水素入口部の水素温度Ｔ１が第３設定温度以下の場合は（ステップＳ７４がＮＯ）、電気ヒータ３５に通電して水素入口部を暖機し（ステップＳ７５）、水素入口部の水素を昇温させる。
【００５７】
水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に投入後（ステップＳ７３）、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ７６）、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ７７がＮＯ）、ステップＳ７０に戻る。
【００５８】
本実施形態によると、凝縮が発生しないと推定される条件下で加湿を行い、また、凝縮が発生すると推定される場合でも、水素入口部温度Ｔ１が０℃を超えている場合に加湿を行うため、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、より広範囲の条件下で燃料電池１０内の電解質膜の加湿を行うことができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、水素入口部の配管を加熱する加熱手段として、電気ヒータ３５を用いたが、例えば冷却水流路４０の温められた冷却水等を利用した加熱手段を用いてもよい。
【００６０】
さらに、露点計８２の代わりに、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの湿度を検出する湿度計を用い、水素入口部の水素温度Ｔ１、および排気ガスの湿度に基づいて、水素入口部にて凝縮が発生するか否かを判断するようにしてもよい。
【００６１】
（第４実施形態）
本実施形態は、加湿開始後に水素流路３０にて凝縮が発生しているか否かを推定するようにした点が第３実施形態とは異なっている。図７は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図８は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、第３実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６２】
図７に示すように、本実施形態では、大気中の空気を吸入・圧縮して排気ガス流路８０中に供給するエアコンプレッサ９０を備えている。
【００６３】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図７および図８に基づいて説明する。
【００６４】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、ステップＳ８０以下にて、加湿開始後に水素入口部にて凝縮が発生しているか否かを推定して所定の制御を行う。
【００６５】
ステップＳ１１がＹＥＳになると、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、水素ヒータ６０の排気ガスを、排気ガス流路８０を介して燃料流路３０に投入し（ステップＳ８０）、水素入口部温度センサ３４にて水素入口部の水素温度Ｔ１を検出（ステップＳ８１）する。
【００６６】
そして、水素入口部の水素温度Ｔ１が上昇傾向にある場合（ステップＳ８２がＹＥＳ）、水素入口部の水素温度Ｔ１にかかわらず、水素ヒータ６０の排気ガスの水蒸気凝縮による配管閉塞が発生していないと判断する。
【００６７】
次に、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ８３）、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ８４がＮＯ）、ステップＳ８０に戻る。
【００６８】
一方、水素入口部の水素温度Ｔ１が上昇傾向にない場合（ステップＳ８２がＮＯ）、水蒸気の凝縮が発生している恐れがある。そこで、エアコンプレッサ９０により昇温された空気を排気ガス流路８０中に供給し（ステップＳ８５）、これにより、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスを昇温させ、水蒸気の凝縮が発生するのを防止する。
【００６９】
本実施形態によると、水蒸気の凝縮が発生していると推定される場合、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスを昇温させて、水蒸気の凝縮が発生するのを防止するため、低温起動時の燃料電池１０内での水分の凍結を回避しつつ、より広範囲の条件下で燃料電池１０内の電解質膜の加湿を行うことができる。
【００７０】
（第５実施形態）
本実施形態は、発電に利用される水素の一部ないしは全部を水素ヒータ６０にて高温化して供給するようにしたものである。図９は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図１０は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、上記各実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
図９に示すように、本実施形態では、水素ヒータ６０と水素ボンベ７０との間に、水素ヒータ６０への水素供給量を調整する水素量調整弁７１を備えている。
【００７２】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図９および図１０に基づいて説明する。
【００７３】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、燃料電池１０の出力電圧をモニタし（ステップＳ９０）、水素ヒータ６０に供給される空気との反応に必要な水素の量（以下、必要水素量という）を算出し（ステップＳ９１）、発電に利用するための水素の量（以下、余剰水素量という）を算出し（ステップＳ９２）、必要水素量と余剰水素量とを合計した量の水素を水素ヒータ６０に供給し（ステップＳ９３）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に供給する（ステップＳ９４）。
【００７４】
ここで、余剰水素量分の水素は未反応のまま燃料流路３０に供給されて、燃料電池１０での発電に利用される。そして、その未反応のまま燃料流路３０に供給される水素は水素ヒータ６０にて高温化されているため、多くの水蒸気を含むことができる。
【００７５】
次に、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ９５がＮＯ）、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの量を増加させて（ステップＳ９６）、加湿量を増加させる。
【００７６】
本実施形態によると、発電に利用される水素の一部ないしは全部が水素ヒータ６０にて高温化されているため、多くの水蒸気を含むことができる。
【００７７】
（第６実施形態）
本実施形態は、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの温度を設定温度以下に制御するようにしたものである。図１１は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図１２は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、上記各実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７８】
図１１に示すように、本実施形態では、排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサ８３と、大気中の空気を吸入・圧縮して水素ヒータ６０に供給するエアコンプレッサ１００を備えている。エアコンプレッサ１００は、図示しない電動モータによって駆動され、回転数制御によって空気供給量が制御されるようになっている。
【００７９】
そして、水素ヒータ６０に供給される混合気（水素と空気）の空気過剰率を１以上にすることにより、水素ヒータ６０の排気ガスを余剰の空気により冷却して、水素ヒータ６０の排気ガスの温度を設定温度以下に制御するようにしている。このように水素ヒータ６０の排気ガスは余剰の空気を含むため、排気ガス流路８０を空気流路２０に接続し、水素ヒータ６０の排気ガスを空気流路２０に導くようにしている。
【００８０】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図１１および図１２に基づいて説明する。
【００８１】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、排気ガス温度センサ８３により排気ガス流路８０を通る水素ヒータ６０の排気ガスの温度を検出する（ステップＳ１００）。
【００８２】
次に、水素ヒータ６０の排気ガスの温度が第４設定温度（本例では、燃料電池１０の耐熱温度、例えば８０℃）以下になるように、水素ヒータ６０に供給される混合気の空気過剰率を算出し（ステップＳ１０１）、その算出した空気過剰率に調整された混合気を水素ヒータ６０に供給する（ステップＳ１０２）。
【００８３】
次に、再度排気ガス温度センサ８３により水素ヒータ６０の排気ガスの温度を検出し（ステップＳ１０３）、その温度が第４設定温度以下であれば（ステップＳ１０４がＹＥＳ）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて、水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に投入する（ステップＳ１０５）。
【００８４】
一方、水素ヒータ６０の排気ガスの温度が第４設定温度を超えている場合（ステップＳ１０４がＮＯ）、エアコンプレッサ１００の回転数を上げて水素ヒータ６０への空気供給量を増加することにより（ステップＳ１０６）、水素ヒータ６０の排気ガスを余剰の空気により冷却する。
【００８５】
本実施形態によると、水素ヒータ６０の排気ガスの温度が設定温度を超えた場合には空気供給量を増加することにより、過剰な空気によって熱が奪われて排気ガスの温度が低下するため、燃料電池１０の耐熱温度を超える排気ガスが燃料電池１０に供給されるのを防止して、燃料電池１０の破壊を防止することができる。
【００８６】
（第７実施形態）
図１３は本実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図、図１４は制御部５０にて実行される制御処理のうち燃料電池１０の加湿制御にかかわる部分の流れ図であり、上記各実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
図１３に示すように、本実施形態は、電気自動車における図示しないアクセルペダルの開度（踏み込み量）を検出するアクセル開度センサ１１０を備えている。そして、制御部５０は、アクセル開度センサ１１０からの信号等に基づいて、燃料電池１０の目標出力を算出し、さらに、その目標出力を得るために燃料電池１０が必要とする水素の量を算出するようになっている。
【００８８】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温起動時における作動を、図１３および図１４に基づいて説明する。
【００８９】
本実施形態では、燃料電池１０の暖機が進んで冷却水出口温度が第１設定温度を超えると（ステップＳ１１がＹＥＳ）、アクセル開度センサ１１０にてアクセルペダルの開度を検出する（ステップＳ１１０）。
【００９０】
次に、目標出力を得るために燃料電池１０が必要とする水素の量と、水素ヒータ６０に供給される空気との反応に必要な水素の量との、合計水素量を算出し（ステップＳ１１１）、その合計水素量分の水素を水素ヒータ６０に供給し（ステップＳ１１２）、排気ガス量調整弁８１を開弁させて水素ヒータ６０の排気ガスを燃料流路３０に供給する（ステップＳ１１３）。ここで、水素ヒータ６０で未反応の水素は燃料電池１０での発電に利用される。
【００９１】
次に、燃料電池１０の出力が目標出力に達していない場合は（ステップＳ１１４がＮＯ）、燃料流路３０に投入する水素ヒータ６０の排気ガスの量を増加させて（ステップＳ１１５）、加湿量を増加させる。
【００９２】
本実施形態によると、水素ヒータ６０に供給する水素の量を、目標出力を得るために燃料電池１０が必要とする水素の量と、水素ヒータ６０に供給される空気との反応に必要な水素の量とに基づいて決定しているため、燃料ロスを少なくすることができる。
【００９３】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、水素ヒータ６０の排気ガスを空気流路２０および燃料流路３０のうちの一方に導くようにしたが、水素ヒータ６０の排気ガスを空気流路２０および燃料流路３０の両方に導くようにしてもよい。
【００９４】
また、燃料電池１０の起動時には、燃料電池１０の暖機と同時に電気ヒータ等の加熱手段により加湿器２１、３１および周辺配管の暖機も行い、燃料電池システム全体を加熱した後、加湿を開始するようにしてもよい。
【００９５】
また、燃料電池内部の温度に関連する温度を検出する対象として燃料電池出口部の熱交換媒体としたが、例えば燃料電池の入口部の熱交換媒体の温度を検出してもよいし、燃料電池自体の温度を検出してもよいし、あるいは、外気温を検出しても勿論よい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図４】図３の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図６】図５の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図７】第４実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図８】図７の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図１０】図９の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図１１】第６実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図１２】図１１の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【図１３】第７実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図１４】図１３の制御部５０にて実行される制御処理の要部の流れ図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２１、３１…加湿器。
Claims (5)
- 燃料極に供給される水素と空気極に供給される酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池（１０）を備え、前記燃料電池（１０）と熱交換する熱媒体を前記燃料電池（１０）の内部と前記燃料電池（１０）の外部との間で循環させる燃料電池システムにおいて、
水素と酸素との反応熱により前記熱媒体を加熱する水素ヒータ（６０）を備え、
前記燃料電池（１０）の出口部の前記熱媒体の温度が設定温度を超えたときに、前記水素ヒータ（６０）の排気ガスが前記燃料極および前記空気極のうちの少なくとも一方に供給されて、前記燃料極および前記空気極のうちの少なくとも一方が前記水素ヒータ（６０）の排気ガスにより加湿されることを特徴とする燃料電池システム。 - 加湿を行った場合に凝縮が発生するか否かを推定し、凝縮が発生しないと推定したときに加湿を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記水素ヒータ（６０）に供給される水素の量が、前記水素ヒータ（６０）に供給される酸素との反応に必要な量よりも多く設定され、
前記水素ヒータ（６０）の排気ガスが、前記燃料極に供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 - 前記水素ヒータ（６０）の排気ガスの温度が設定温度以下になるように、前記水素ヒータ（６０）に供給される空気の量が制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
- 前記水素ヒータ（６０）に供給される水素の量が、前記燃料電池（１０）の発電に必要な量と、前記水素ヒータ（６０）に供給される酸素との反応に必要な量とに基づいて決定されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
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