JP4940545B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおける燃料電池の低温起動制御を改良した燃料電池システムに関する。
従来の燃料電池システムにおける燃料電池の低温起動制御手法としては、例えば、特開２００３−２０８９１４号公報に開示の「自動車用燃料電池の急速余熱のためのシステム及び方法」がある。この従来の燃料電池システムは、補助熱源や複雑な制御システムを必要とせずに、冷間始動または低温状態での車両の燃料電池スタックを選択的かつ迅速に余熱可能としたもので、低温起動時にコンプレッサで空気を加圧して昇温し、燃料電池への供給空気温度を高めて発電を促進させるようになっている。
特開２００３−２０８９１４号
しかしながら、上述した特許文献１に開示された低温起動制御手法にあっては、低温起動時に空気アフタークーラーを循環する冷却液が冷えていると、空気アフタークーラーで空気と冷たい冷却液とが熱交換されて、燃料電池への供給空気温度が下がり、電解質膜の湿潤水が凍って発電が困難となるという問題があった。
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、供給空気が冷えないようにアフタークーラーの冷却液循環タイミングや流量を制御して、低温起動時に燃料電池を発電可能とする燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを冷却液で熱交換させて冷却するアフタークーラーと、前記燃料電池へ供給する酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段と、前記冷却液により酸化剤ガスと同時に冷却され、前記燃料電池が発電する電力を取り出して管理するパワーマネージャーと、前記検出された酸化剤ガス温度が、前記冷却液を循環しても前記燃料電池へ供給する酸化剤ガス温度が氷点下温度以上に維持されると判断できる所定値を超えるとき、前記冷却液の循環を開始する冷却液循環制御手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池に供給する酸化剤ガスを冷却液で熱交換させて冷却するアフタークーラーを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池への供給酸化剤ガス温度が所定値を超えると、冷却液の循環を開始するようにし、該所定値を、例えば燃料電池が発電可能になる温度以上の値とすることにより、供給酸化剤ガスが冷えないようにアフタークーラーの冷却液循環タイミングや流量を制御して、低温起動時に燃料電池を発電可能とすることができる。
以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
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図である。本実施例の燃料電池システムは、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１が発電する電力を取り出して管理するパワーマネージャー１５とを備える。
また、水素供給系として、水素タンク１０、減圧弁１１、水素調圧弁１２、エゼクタ１３およびパージ弁１４を備え、空気供給系として、コンプレッサ８、アフタークーラー７および空気調圧弁９を備え、燃料電池１の冷却系として、ポンプ２、ラジエタ３、ラジエタファン４および三方弁５を備え、パワーマネージャー１５の冷却系として、ラジエタ３、ラジエタファン４、ポンプ６およびアフタークーラー７を備えた構成である。さらに、冷却液循環制御系として、酸化剤ガス温度検出手段に該当するコンプレッサ出口空気温度センサ１６および燃料電池入口空気温度センサ１７並びに冷却液循環制御手段２１ａを備えている。
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
（化１）
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
アノードへの水素供給は、水素タンク１０から減圧弁１１および水素調圧弁１２を通じてなされる。水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁１１で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素調圧弁１２で燃料電池での水素圧力が所望の水素圧に制御される。
またエゼクタ１３は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノードの水素圧は、水素調圧弁１２を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に供給される。１４はパージ弁であり、エゼクタ１３の水素循環機能を確保するために、カソードからアノードへ透過し水素系内に蓄積した窒素を排出する。排出された窒素水素混合ガスはカソードからの排空気で希釈される。また、カソードへの空気はコンプレッサ８により供給される。コンプレッサ８から供給される空気は圧力上昇により温度上昇するため、アフタークーラー７で冷却液と熱交換されて冷やされてからカソードへ供給される。カソードの空気圧は、空気調圧弁９を駆動することによって制御される。
冷却液流路は２系統あり、燃料電池１の冷却系とパワーマネージャー１５の冷却系がある。燃料電池１の冷却系については、ポンプ２により冷却液が燃料電池１やラジエタ３、ラジエタバイパス方向に循環される。三方弁５は、冷却液温度を調整するために、冷却液をラジエタ３側とラジエタバイパス側に分流する。三方弁５をラジエタ３側に動かすだけでは冷却液を所望の温度に冷やせないときにはラジエタファン４も駆動する。
パワーマネージャー１５の冷却系については、ポンプ６により冷却液がパワーマネージャー１５、アフタークーラー７およびラジエタ３に循環される。その他、車両駆動モータなどの強電部品を本冷却系に配置しても良い。なお、パワーマネージャー１５は燃料電池１から電流や電力を取り出す。
冷却液循環制御手段２１はコンプレッサ出口空気温度センサ１６によって検出された温度と、燃料電池入口空気温度センサ１７によって検出された温度に応じて、燃料電池起動時のパワーマネージャー冷却液の循環開始を判断してポンプ６を駆動する。
次に、本実施例の燃料電池システムにおける燃料電池１の低温起動制御を図２および図３を参照して説明する。図２は本実施例の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図３は本実施例の燃料電池１の低温起動制御時の動作を説明するタイムチャートである。図３において、（Ａ−ａ），（Ｂ−ｂ）は空気温度（コンプレッサ出口温度および燃料電池入口温度）、（Ａ−ｂ），（Ｂ−ｂ）はパワーマネージャー１５の冷却液循環の状態、（Ａ−ｃ），（Ｂ−ｃ）は燃料電池１の取出電力それぞれの時間的推移を示す。
以下、図２のフローチャートに沿って説明する。まず、水素タンク１０から燃料電池１のアノードへの水素供給を開始する（ステップＳ１０１）。そして、コンプレッサ８を駆動して燃料電池１のカソードへの空気供給を開始する（ステップＳ１０２）。
次に、ステップＳ１０３からステップＳ１１０までの処理とステップＳ１０７からステップＳ１０９までの処理を並行して同時に実行する。
ステップＳ１０７からステップＳ１０９までの処理では、まず、燃料電池１入口の空気温度を燃料電池入口空気温度センサ１７によって検出する（ステップＳ１０７）。次に、検出された空気温度が燃料電池１の発電可能な温度であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８で燃料電池１が発電可能な温度に達してないと判断された場合にはステップＳ１０７に戻り、ステップＳ１０７およびＳ１０８による発電開始待ちのループが継続される。他方、発電可能な温度であると判断されるとステップＳ１０９に進んで、燃料電池１の発電が開始される。ここで、燃料電池１が発電可能な温度とは、一般的には氷点下以上の温度である。氷点下では、電解質膜の湿潤水が凍ってガスの供給流路が閉ざされて発電困難となるからである。
また、ステップＳ１０３からステップＳ１１０までの処理では、まず、燃料電池１入口の空気温度を燃料電池入口空気温度センサ１７によって検出する（ステップＳ１０３）。次に、検出された空気温度が燃料電池１の発電可能な温度よりもα以上高くなったか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４で空気温度がα以上高くなったと判断された場合には、ステップＳ１１０に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
他方、空気温度が発電可能な温度よりもα以上高い温度に達してないと判断された場合には、ステップＳ１０５に進んで、コンプレッサ出口空気温度センサ１６によってコンプレッサ８の出口空気温度を検出する。次に、検出されたコンプレッサ８の出口空気温度が空気系部品の耐熱温度よりもβ低い温度値以上か否かを判断する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６でコンプレッサ８の出口空気温度が空気系部品の耐熱温度よりもβ低い温度値以上であると判断された場合には、ステップＳ１１０に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。また、コンプレッサ８の出口空気温度がβ低い温度値未満であると判断された場合には、ステップＳ１０３に戻って、ステップＳ１０３からステップＳ１０６までの処理による冷却液の循環待ちのループが継続されることになる。なお、α、βは温度余裕代である。
次に、図３（Ａ）には、燃料電池１入口の空気温度が律速してパワーマネージャー１５の冷却液を循環させる場合のタイムチャートを示す。コンプレッサ８を駆動して燃料電池１のカソードへの空気供給が開始されると、加圧により空気温度が上昇していく。ここで、コンプレッサ８の出口空気はアフタークーラー７を通って冷やされてから燃料電池１の入口へ到達する。冷却液がアフタークーラー７に流れてなくても、アフタークーラー７自体が熱容量をもった熱媒体であり、低温起動時には冷えているからである。
そして、燃料電池１入口の空気温度が氷点下以上になった時点（Ｔ１ａ）から、燃料電池１の発電を開始し、パワーマネージャー１５により燃料電池１から電力を取り出す。そして、燃料電池１入口の空気温度が「発電可能温度（氷点下以上の温度）＋α」になった時点（Ｔ１ｂ）からパワーマネージャー１５の冷却液を循環させる。ここで、冷却液流量とαは、冷却液を循環しても燃料電池１へ供給する空気温度が発電可能な温度以上に維持される流量と温度値に設定する。
また、図３（Ｂ）には、コンプレッサ８出口の空気温度が律速してパワーマネージャー１５の冷却液を循環させる場合のタイムチャートを示す。コンプレッサ８出口の空気温度が空気系部品の耐熱温度のβ手前まで昇温すると（時間Ｔ１ｄ）、パワーマネージャー１５の冷却液を循環させる。ここで、βはアフタークーラーの空気冷却性能を考慮して、余裕代として設定する。
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水素を供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池１に空気を供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池１に供給する空気を冷却液で熱交換させて冷却するアフタークーラー７と、燃料電池１へ供給する空気の温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段１６，１７と、検出された空気温度が所定値を超えるとき、冷却液の循環を開始する冷却液循環制御手段２１ａとを備え構成し、燃料電池１への供給空気温度が所定値を超えると、冷却液の循環を開始するようにしている。特に、酸化剤ガス温度検出手段（燃料電池入口空気温度センサ）１７により燃料電池１入口の空気温度を検出して、冷却液の循環開始を判断するための所定値を、燃料電池１が発電可能になる温度以上の値とすることにより、供給空気が冷えないようにアフタークーラー７の冷却液流量を制御して、従来のように、燃料電池１への供給空気温度が下がって電解質膜の湿潤水が凍ってしまい発電が困難となるといった問題の発生を防止することができ、低温起動時に燃料電池を発電可能とすることができる。
また、本実施例の燃料電池システムでは、酸化剤ガス温度検出手段により検出した空気温度が空気流路に配置された部品の耐熱温度以下の値を超えたときに、冷却液循環制御手段２１ａにより冷却液の循環を開始するようにしている。これにより、空気温度の過上昇を防止できると共に、空気流路に配置された部品や燃料電池１を保護することができる。
特に、酸化剤ガス温度検出手段（コンプレッサ出口空気温度センサ）１６により空気供給手段出口の空気温度を検出して、該検出した空気温度が空気流路に配置された部品の耐熱温度以下の値を超えたときに、冷却液循環制御手段２１ａにより冷却液の循環を開始するようにした場合には、空気供給手段より下流の空気温度の過上昇を防止できると共に、空気供給手段より下流の部品を保護することができる。
さらに、本実施例の燃料電池システムは、酸化剤ガス温度検出手段（燃料電池入口空気温度センサ）１７により燃料電池１入口の空気温度を検出して、前記酸化剤ガス温度の所定値は、該検出した空気温度が燃料電池１の耐熱温度以下の値を超えたときに、冷却液循環制御手段２１ａにより冷却液の循環を開始するように変形することもできる。これにより、空気供給手段より下流の空気温度の過上昇を防止し、空気供給手段より下流の部品を保護することができる。
次に、図４は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムも、実施例１と同様に、燃料電池１およびパワーマネージャー１５を備え、また、水素供給系、空気供給系、燃料電池１の冷却系、パワーマネージャー１５の冷却系についても、実施例１と同等の構成であるので、これら各構成要素についての説明を省略する。本実施例の構成が実施例１と異なる点は、冷却液循環制御系として、冷却液温度検出手段に該当するアフタークーラー入口冷却液温度センサ１８と冷却液循環制御手段２１ｂを備えている点である。
アフタークーラー入口冷却液温度センサ１８は、アフタークーラー７入口の冷却液の温度を検出する。また、冷却液循環制御手段２１ｂは、アフタークーラー入口冷却液温度センサ１８によって検出されたアフタークーラー７入口の冷却液温度に応じて、燃料電池１の起動時におけるパワーマネージャー１５の冷却液の循環開始を判断する。
次に、本実施例の燃料電池システムにおける燃料電池１の低温起動制御を図５，図６および図７を参照して説明する。図５は本実施例の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図６は本実施例の冷却系部品の温度上昇抑制可能時間特性を説明する説明図であり、図７は本実施例の燃料電池１の低温起動制御時の動作を説明するタイムチャートである。図７において、（ａ）はアフタークーラー入口冷却液温度、（ｂ）はパワーマネージャー１５の冷却液循環の状態、（ｃ）は燃料電池１の取出電力それぞれの時間的推移を示す。
以下、図５のフローチャートに沿って説明する。まず、水素タンク１０から燃料電池１のアノードへの水素供給を開始する（ステップＳ２０１）。そして、コンプレッサ８を駆動して燃料電池１のカソードへの空気供給を開始する（ステップＳ２０２）。
次に、アフタークーラー入口冷却液温度センサ１８によってアフタークーラー７入口の冷却液温度を検出する（ステップＳ２０３）。次に、検出されたアフタークーラー７入口の冷却液温度が燃料電池１の発電可能な温度よりもγ以上高いか否かを判断する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４でアフタークーラー７入口の冷却液温度が発電可能な温度よりもγ以上高い場合には、ステップＳ２０７に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。ここで、γは温度余裕代である。
また、ステップＳ２０４でアフタークーラー７入口の冷却液温度が発電可能な温度よりもγ以上に達してないと判断された場合には、ステップＳ２０５に進んで、冷却系に配置された部品であるパワーマネージャー１５の作動経過時間をカウントする。そして、該作動経過時間が、アフタークーラー冷却液の循環を停止していてもパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度付近に達しないように抑制できる時間を超えてないか否かを判断する（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６で経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えてない場合にはステップＳ２０５へ戻り、ステップＳ２０５およびＳ２０６による冷却液循環開始待ちのループが継続される。他方、経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えた場合には、ステップＳ２０７に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
ここで、パワーマネージャー１５の温度が耐熱温度付近に達しない抑制可能時間については、図６に示す特性に基づき、冷却液温度に応じて設定する。起動前から起動時には冷却液温度と冷却系に配置された部品の温度は概略一致していると考えられる。冷却液温度（本実施例では、アフタークーラー７入口の冷却液温度）が高いほどパワーマネージャー１５の温度も高いので、冷却液温度が高くなるにつれて部品温度上昇抑制可能時間は短くなる。
なお、燃料電池１の発電開始待ちのサブルーチンについては、実施例１（図２におけるステップＳ１０７からステップＳ１０９までの処理）と同様の方法で実施することができるので、本実施例では詳細な説明を省略する。
次に、図７のタイムチャートに沿って動作を説明する。まず、初期状態では、アフタークーラー７入口の冷却液温度が発電可能温度よりも低いので、パワーマネージャー１５の冷却液の循環をまだ開始しない。そして、供給空気温度を昇温させて燃料電池１の発電を開始して（時間Ｔ２ａ）から、部品温度（パワーマネージャー１５の温度）上昇抑制可能時間が経過すると（時間Ｔ２ｂ）、パワーマネージャー１５の冷却液を循環させる。
もし、アフタークーラー１５の冷却液が燃料電池１に流れるシステム構成であった場合には、燃料電池１の耐熱温度を考慮して、冷却液の循環を停止しても燃料電池１が発電してから耐熱温度を超えないように停止可能時間を設定する。また、パワーマネージャー１５と燃料電池１の両方に冷却液が流れるシステム構成であった場合には、それぞれの停止可能時間の短い方の時間を設定する。
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水素を供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池１に空気を供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池１に供給する空気を冷却液で熱交換させて冷却するアフタークーラー７と、冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段（アフタークーラー入口冷却液温度センサ）１８と、燃料電池１が発電可能となる供給空気温度以上の温度を所定温度とし、起動時に冷却液温度検出手段１８により検出された冷却液温度が該所定温度以下の場合には、冷却液の循環を停止する冷却液循環制御手段２１ｂと、を備えて構成したので、冷却液温度が燃料電池１が発電可能となる供給空気温度以上の温度以下の間は、燃料電池１への供給空気がアフタークーラー７で冷やされないようになり、低温起動時の燃料電池１の発電が促進され、起動時間も短縮されることとなる。また、従来のように、低温起動時に冷却液を循環させると燃料電池への供給空気がアフタークーラーで冷やされて、電解質膜の湿潤水が凍って発電困難となるといった問題点も解消することができる。
また、本実施例の燃料電池システムでは、冷却液循環制御手段２１ｂにおいて、冷却液温度検出手段（アフタークーラー入口冷却液温度センサ）１８により検出された冷却液温度が所定温度以下の場合であっても、冷却液が循環する流路に配置された部品の温度が冷却液循環停止時に耐熱温度以内に抑制できる所定時間が経過するとき、冷却液の循環を開始するようにしている。つまり、冷却液の循環を停めている最中に冷却液が循環する流路に配置された部品を作動させると該部品が発熱するので、検出された冷却液温度が所定温度以下の場合であっても所定時間が経過すると冷却液の循環を開始するようにしている。また、冷却液循環開始の所定時間として、該部品の温度が耐熱温度以内に抑制できる時間を設定するようにしたので、該部品を保護することができる。
また特に、所定時間を冷却液の温度が低いほど長く設定するようにした場合には、冷却液の温度が低いほど、冷却液が循環する流路に配置された部品の温度も低いので、該部品温度を耐熱温度以内に抑制できる時間を長く設定することができる。また、燃料電池１への供給空気開始温度も低く昇温に時間がかかるため、冷却液の温度が低い場合には冷却液の循環を長い時間停止させることによって供給空気温度の昇温を促進させることができる。
次に、図８は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムも、実施例１と同様に、燃料電池１およびパワーマネージャー１５を備え、また、水素供給系、空気供給系、燃料電池１の冷却系、パワーマネージャー１５の冷却系についても、実施例１と同等の構成であるので、これら各構成要素についての説明を省略する。本実施例の構成が実施例１と異なる点は、冷却液循環制御系として、冷却液温度検出手段に該当するアフタークーラー入口冷却液温度センサ１８と、部品温度検出手段に該当するパワーマネージャー温度検出センサ１９と、冷却液循環制御手段２１ｃを備えている点である。
アフタークーラー入口冷却液温度センサ１８は、アフタークーラー７入口の冷却液の温度を検出する。パワーマネージャー温度検出センサ１９は、パワーマネージャー１５の温度を検出する。また、冷却液循環制御手段２１ｃは、パワーマネージャー温度検出センサ１９によって検出されたパワーマネージャー１５の温度とアフタークーラー入口冷却液温度センサ１８によって検出されたアフタークーラー７入口の冷却液温度とに応じて、燃料電池１の起動時におけるパワーマネージャー１５の冷却液の循環開始を判断する。
次に、本実施例の燃料電池システムにおける燃料電池１の低温起動制御を図９および図１０を参照して説明する。図９は本実施例の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートであり、図１０は本実施例の燃料電池１の低温起動制御時の動作を説明するタイムチャートである。図１０において、（ａ）はアフタークーラー入口冷却液温度、（ｂ）はパワーマネージャー１５の冷却液循環の状態、（ｃ）は燃料電池１の取出電力、（ｄ）はパワーマネージャー１５の温度それぞれの時間的推移を示す。
以下、図９のフローチャートに沿って説明する。まず、水素タンク１０から燃料電池１のアノードへの水素供給を開始する（ステップＳ３０１）。そして、コンプレッサ８を駆動して燃料電池１のカソードへの空気供給を開始する（ステップＳ３０２）。
次に、アフタークーラー入口冷却液温度センサ１８によってアフタークーラー７入口の冷却液温度を検出する（ステップＳ３０３）。次に、検出されたアフタークーラー７入口の冷却液温度が燃料電池１の発電可能な温度よりもγ以上高いか否かを判断する（ステップＳ３０４）。ステップＳ３０４でアフタークーラー７入口の冷却液温度が発電可能な温度よりもγ以上高い場合には、ステップＳ３０９に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。ここで、γは温度余裕代である。
また、ステップＳ３０４でアフタークーラー７入口の冷却液温度が発電可能な温度よりもγ以上に達してないと判断された場合には、ステップＳ３０５に進んで、冷却系に配置された部品であるパワーマネージャー１５の作動経過時間をカウントする。そして、該作動経過時間が、アフタークーラー冷却液の循環を停止していてもパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度付近に達しないように抑制できる時間を超えてないか否かを判断する（ステップＳ３０６）。ステップＳ３０６で経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えた場合には、ステップＳ３０９に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
他方、ステップＳ３０６で経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えてない場合には、ステップＳ３０７へ進んで冷却系に配置された部品即ちパワーマネージャー１５の温度をパワーマネージャー温度検出センサ１９によって検出する。そして、検出したパワーマネージャー１５の温度がパワーマネージャー１５の耐熱温度よりθ低い温度値以上に達してないか否かを判断する（ステップＳ３０８）。ステップＳ３０８でパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度よりθ低い温度値以上に達した場合には、ステップＳ３０９に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。他方、ステップＳ３０８でパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度よりθ低い温度値以上に達していない場合には、ステップＳ３０５に戻り、ステップＳ３０５からステップＳ３０８までの処理による冷却液循環開始待ちのループが継続される。ここで、θは温度余裕代である。
次に、図１０のタイムチャートに沿って動作を説明する。まず、初期状態では、アフタークーラー７入口の冷却液温度が発電可能温度よりも低いので、パワーマネージャー１５の冷却液の循環をまだ開始しない。そして、供給空気温度を昇温させて燃料電池１の発電を開始して（時間Ｔ３ａ）から、部品温度（パワーマネージャー１５の温度）上昇抑制可能時間が経過する（時間Ｔ３ｃ）前に、パワーマネージャー１５の温度が耐熱温度より余裕をみたθ低い温度まで達した（時間Ｔ３ｂ）ので、その時点（時間Ｔ３ｂ）からパワーマネージャー１５の冷却液を循環させる。
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、部品温度検出手段（パワーマネージャー温度センサ）１９により冷却液が循環する流路に配置された部品の温度を検出し、冷却液循環制御手段２１ｃにより、冷却液が循環する流路に配置された部品の温度が耐熱温度以下の所定温度を超えるときに冷却液の循環を開始するようにしている。これにより、該部品を熱から保護することができる。
また、冷却液循環制御手段２１ｃが循環させる冷却液の流量は、燃料電池１に供給された空気の温度が発電可能な温度以上に維持される流量としている。これにより、冷却液を循環したときに供給空気温度が発電不可温度まで下がらなくなり、発電を維持することができる。
さらに、冷却液循環制御手段２１ｃにおいて、燃料電池１に供給された空気の温度が発電可能な温度にならない場合であっても、空気系あるいは冷却系に配置された部品の温度が耐熱温度以下の所定温度を越えるとき、冷却液を循環させ、冷却液の流量は該部品温度が耐熱温度を超えず、かつ、供給空気温度が大きく下がらないだけの流量としている。これにより、発電よりも部品保護を優先し、該部品を熱から保護することができる。
次に、図１１は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムも、実施例１と同様に、燃料電池１およびパワーマネージャー１５を備え、また、水素供給系、空気供給系、燃料電池１の冷却系、パワーマネージャー１５の冷却系についても、実施例１と同等の構成であるので、これら各構成要素についての説明を省略する。本実施例の構成が実施例１と異なる点は、冷却液循環制御系として、部品温度検出手段に該当するパワーマネージャー温度検出センサ１９と、外気温測定手段に該当する外気温度センサ２０と、冷却液循環制御手段２１ｃを備えている点である。
パワーマネージャー温度検出センサ１９は、パワーマネージャー１５の温度を検出する。外気温度センサ２０が外気温を検出する。また、冷却液循環制御手段２１ｄは、パワーマネージャー温度検出センサ１９によって検出されたパワーマネージャー１５の温度と外気温度センサ２０によって検出された外気温とに応じて、燃料電池１の起動時におけるパワーマネージャー１５の冷却液の循環開始を判断する。
次に、本実施例の燃料電池システムにおける燃料電池１の低温起動制御を図１２を参照して説明する。図１２は本実施例の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
以下、図１２のフローチャートに沿って説明する。まず、水素タンク１０から燃料電池１のアノードへの水素供給を開始する（ステップＳ４０１）。そして、コンプレッサ８を駆動して燃料電池１のカソードへの空気供給を開始する（ステップＳ４０２）。
次に、外気温度センサ２０によって外気温を検出する（ステップＳ４０３）。次に、検出された外気温が燃料電池１の発電可能な温度よりもγ以上高いか否かを判断する（ステップＳ４０４）。ステップＳ４０４で外気温が発電可能な温度よりもγ以上高い場合には、ステップＳ４０９に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。ここで、γは温度余裕代である。
また、ステップＳ４０４で外気温が発電可能な温度よりもγ以上に達してないと判断された場合には、ステップＳ４０５に進んで、冷却系に配置された部品であるパワーマネージャー１５の作動経過時間をカウントする。そして、該作動経過時間が、アフタークーラー冷却液の循環を停止していてもパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度付近に達しないように抑制できる時間を超えてないか否かを判断する（ステップＳ４０６）。ステップＳ４０６で経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えた場合には、ステップＳ４０９に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
他方、ステップＳ４０６で経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えてない場合には、ステップＳ４０７へ進んで冷却系に配置された部品即ちパワーマネージャー１５の温度をパワーマネージャー温度検出センサ１９によって検出する。そして、検出したパワーマネージャー１５の温度がパワーマネージャー１５の耐熱温度よりθ低い温度値以上に達してないか否かを判断する（ステップＳ４０８）。ステップＳ４０８でパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度よりθ低い温度値以上に達した場合には、ステップＳ４０９に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。他方、ステップＳ４０８でパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度よりθ低い温度値以上に達していない場合には、ステップＳ４０５に戻り、ステップＳ４０５からステップＳ４０８までの処理による冷却液循環開始待ちのループが継続される。ここで、θは温度余裕代である。
なお、パワーマネージャー１５の温度が耐熱温度付近に達しない冷却液停止可能時間については、実施例２における冷却液温度を外気温で代用して、図６に示した特性と同様の特性に基づいて設定する。
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、外気温測定手段（外気温センサ）２０で外気温を測定し、実施例２または実施例３における冷却液温度検出手段（アフタークーラー入口冷却液温度センサ）１８により検出した冷却液の温度を、外気温測定手段（外気温センサ）２０で測定した外気温で代用している。これにより、実施例２または実施例３の燃料電池システムにおける効果と同等の効果を奏することができる。
さらに、図１３は本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムも、実施例１と同様に、燃料電池１およびパワーマネージャー１５を備え、また、水素供給系、空気供給系、燃料電池１の冷却系、パワーマネージャー１５の冷却系についても、実施例１と同等の構成であるので、これら各構成要素についての説明を省略する。本実施例の構成は実施例１と実施例２を組み合わせた構成であり、冷却液循環制御系として、酸化剤ガス温度検出手段に該当するコンプレッサ出口空気温度センサ１６および燃料電池入口空気温度センサ１７と、冷却液温度検出手段に該当するアフタークーラー入口冷却液温度センサ１８と、冷却液循環制御手段２１ｅとを備えている。
冷却液循環制御手段２１ｂは、コンプレッサ出口空気温度センサ１６によって検出されたコンプレッサ出口空気温度、燃料電池入口空気温度センサ１７によって検出された燃料電池入口空気温度、並びに、アフタークーラー入口冷却液温度センサ１８によって検出されたアフタークーラー７入口の冷却液温度に応じて、燃料電池１の起動時におけるパワーマネージャー１５の冷却液の循環開始を判断する。
次に、本実施例の燃料電池システムにおける燃料電池１の低温起動制御を図１４を参照して説明する。図１４は本実施例の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
まず、水素タンク１０から燃料電池１のアノードへの水素供給を開始する（ステップＳ５０１）。そして、コンプレッサ８を駆動して燃料電池１のカソードへの空気供給を開始する（ステップＳ５０２）。
次に、アフタークーラー入口冷却液温度センサ１８によってアフタークーラー７入口の冷却液温度を検出する（ステップＳ５０３）。次に、検出されたアフタークーラー７入口の冷却液温度が燃料電池１の発電可能な温度よりもγ以上高いか否かを判断する（ステップＳ５０４）。ステップ５０４でアフタークーラー７入口の冷却液温度が発電可能な温度よりもγ以上高い場合には、ステップＳ５１１に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
他方、ステップＳ５０４で冷却液温度が発電可能温度よりもγ以上に達してないと判断された場合には、ステップＳ５０５に進み、燃料電池１入口の空気温度を燃料電池入口空気温度センサ１７によって検出する。そして、検出された空気温度が燃料電池１の発電可能な温度よりもα以上高くなったか否かを判断する（ステップＳ５０６）。ステップＳ５０６で空気温度がα以上高くなったと判断された場合には、ステップＳ５１１に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
他方、空気温度が発電可能な温度よりもα以上高い温度に達してないと判断された場合には、ステップＳ５０７に進んで、コンプレッサ出口空気温度センサ１６によってコンプレッサ８の出口空気温度を検出する。そして、検出されたコンプレッサ８の出口空気温度が空気系部品の耐熱温度よりもβ低い温度値以上か否かを判断する（ステップＳ５０８）。ステップＳ５０８でコンプレッサ８の出口空気温度が空気系部品の耐熱温度よりもβ低い温度値以上であると判断された場合には、ステップＳ５１１に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
また他方、コンプレッサ８の出口空気温度がβ低い温度値未満であると判断された場合には、ステップＳ５０９に進んで、冷却系に配置された部品であるパワーマネージャー１５の作動経過時間をカウントする。そして、該作動経過時間が、アフタークーラー冷却液の循環を停止していてもパワーマネージャー１５の温度が耐熱温度付近に達しないように抑制できる時間を超えてないか否かを判断する（ステップＳ５１０）。ステップＳ５１０で経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えてない場合にはステップＳ５０５へ戻り、ステップＳ５０５からステップＳ５１０までの処理による冷却液循環開始待ちのループが継続される。他方、経過時間が部品温度上昇抑制可能時間を超えた場合には、ステップＳ５１１に進んでアフタークーラー冷却液の循環を開始する。
なお、燃料電池１に供給された空気の温度が発電可能な温度にならない場合であっても、空気系あるいは冷却系に配置された部品の温度が耐熱温度以下の所定温度を越えると冷却液を循環させ、発電よりも部品保護を優先する。
以上のように、本実施例の燃料電池システムでは、実施例１と実施例２を組み合わせた構成としたので、実施例１および実施例２の燃料電池システムにおけるそれぞれの効果を合わせ持つことができる。
本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。 実施例１の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートである。 実施例１の燃料電池１の低温起動制御時の動作を説明するタイムチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成図である。 実施例２の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートである。 実施例２の冷却系部品の温度上昇抑制可能時間特性を説明する説明図である。 実施例２の燃料電池１の低温起動制御時の動作を説明するタイムチャートである。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成図である。 実施例３の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートである。 実施例３の燃料電池１の低温起動制御時の動作を説明するタイムチャートである。 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成図である。 実施例４の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートである。 本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成図である。 実施例５の燃料電池１の低温起動制御の処理の流れを説明するフローチャートである。
符号の説明
１ 燃料電池
２，６ ポンプ
３ ラジエタ
４ ラジエタファン
５ 三方弁
７ アフタークーラー
８ コンプレッサ
９ 空気調圧弁
１０ 水素タンク
１１ 減圧弁
１２ 水素調圧弁
１３ エゼクタ
１４ パージ弁
１５ パワーマネージャー
１６ コンプレッサ出口空気温度センサ
１７ 燃料電池入口空気温度センサ（酸化剤ガス温度検出手段）
１８ アフタークーラー入口冷却液温度センサ（冷却液温度検出手段）
１９ パワーマネージャー温度センサ（部品温度検出手段）
２０ 外気温センサ（外気温測定手段）
２１ａ〜２１ｅ 冷却液循環制御手段

Claims (3)

  1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
    前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを冷却液で熱交換させて冷却するアフタークーラーと、
    前記燃料電池へ供給する酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度検出手段と、
    前記冷却液により酸化剤ガスと同時に冷却され、前記燃料電池が発電する電力を取り出して管理するパワーマネージャーと、
    前記検出された酸化剤ガス温度が、前記冷却液を循環しても前記燃料電池へ供給する酸化剤ガス温度が氷点温度以上に維持されると判断できる所定値を超えるとき、前記冷却液の循環を開始する冷却液循環制御手段と、
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記酸化剤ガス温度検出手段は、前記燃料電池入口の酸化剤ガス温度を検出する
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記酸化剤ガス供給手段の出口の酸化剤ガスの温度を検出する第２の酸化剤ガス温度検出手段を有し、
    前記冷却液循環制御手段は、前記酸化剤ガス温度検出手段により検出された燃料電池入口の酸化剤ガス温度が前記所定値より低い場合であっても、前記第２の酸化剤ガス温度検出手段により検出された前記酸化剤ガス供給手段出口の酸化剤ガス温度が第２の所定値を超えるとき、前記冷却液の循環を開始する
    ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
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