JP7422122B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。
この発明の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車等の移動体に搭載して好適である。
近年、ガソリン車に代わる環境負荷の小さい自動車として、水素を燃料とする燃料電池自動車（ＦＣＶ：Fuel Cell Vehicle）が注目されている。燃料電池自動車は、空気（酸素を含む。）と燃料ガスである水素ガスとを燃料電池に供給する。燃料電池自動車は、燃料電池によって発電した電力を利用して電動機を駆動することにより走行する。このため、燃料電池自動車は、ガソリン車のように二酸化炭素（ＣＯ２）、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の排出がなく水を排出するだけであり、環境にやさしい自動車とされている。
例えば、特許文献１には、過給機により圧縮された高温の酸化剤ガスを空冷インタークーラに冷却した後、水冷インタークーラを介して冷却し、水冷インタークーラにより冷却した酸化剤ガスを、加湿器により加湿して燃料電池スタックに供給する燃料電池システムが開示されている（特許文献１の図１）。
この燃料電池システムでは、起動時等における燃料電池スタックの低負荷領域での空冷インタークーラによる酸化剤ガスの過冷却を抑制するために、酸化剤ガスをバイパスするバイパス流路を空冷インタークーラに並設している。
特開２０１４－１２０３３６号公報
ところで、前記バイパス流路が並設されていない燃料電池システムでは、低温環境下で、冷却され湿潤化された酸化剤ガスが燃料電池スタック内のカソード流路に供給されることから燃料電池スタック内で結露する。
結露による凝縮水量（液滴）が増加するとカソード流路内でフラッディングが発生する。
フラッディングの発生は、燃料電池スタックの電気化学反応（発電反応）に影響を与えて燃料電池スタックの発電効率を低下させる。
この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
この発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機と、前記酸化剤ガス供給機により供給される前記酸化剤ガスの温度を調整する温度調整機と、前記燃料電池スタックの外部温度を取得する外部温度取得器と、前記燃料電池スタックの発電電力を取得する発電電力取得器と、前記燃料電池スタックに温度調整用の冷媒を供給する冷媒供給機と、を備え、前記温度調整機は、前記酸化剤ガス供給機から吐出される前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するガス配管に設けられた液冷式熱交換器と、前記冷媒供給機から吐出される前記冷媒を前記液冷式熱交換器に流す配管と、前記配管に流れる前記冷媒の流量を調整する流量調整機と、を含んで構成されるものであり、前記温度調整機は、前記発電電力が所定値以上では、前記発電電力が増加するに従い、前記酸化剤ガスの温度が高くなるように調整する。
この発明の他の態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機と、前記酸化剤ガス供給機により供給される前記酸化剤ガスの温度を調整する温度調整機と、前記燃料電池スタックの外部温度を取得する外部温度取得器と、前記燃料電池スタックの発電電力を取得する発電電力取得器と、を備え、前記温度調整機は、前記外部温度が所定温度未満の場合、前記発電電力が増加するに従い、前記酸化剤ガスの温度が高くなるように調整する。
この発明によれば、燃料電池スタックの内部温度と、該燃料電池スタックに供給される過給エアである酸化剤ガスとの温度差によりカソード流路内に結露が発生することを抑制し、カソード流路内でのフラッディングの発生を防止することができ、燃料電池スタックの発電効率の低下を払拭することができる。
図１は、実施形態に係る燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車の構成を示す概略図である。 図２は、制御装置の記憶装置内に記録されている発電電流密度又は発電電力に対する発電状態別の目標冷媒流量と目標過給エア温度を示す特性図である。 図３は、制御装置による冷媒供給処理の手順を示すフローチャートである。 図４は、外部温度が低温下での冷媒の流れを破線で示す説明図である。 図５は、外部温度の常温下での冷媒の流れを破線で示す説明図である。 図６は、燃料電池自動車が高負荷運転状態で空冷インタークーラの異常時における冷媒の流れを破線で示す説明図である。 図７は、燃料電池自動車が高負荷運転状態で空冷インタークーラの正常時における冷媒の流れを破線で示す説明図である。
［構成］
図１は、実施形態に係る燃料電池システム１０を搭載する燃料電池自動車１１の構成を示す概略図である。燃料電池自動車１１は、燃料電池システム１０の他、駆動部８４と、高電圧の蓄電装置８５と、走行用のモータを含む負荷９２と、燃料電池自動車１１を図示しない制御線を通じて制御する制御装置２６とを備える。
燃料電池システム１０は、該燃料電池システム１０を制御する制御装置２６の他、燃料電池スタック（燃料電池）１８と、酸化剤ガス供給装置２０と、燃料ガス供給装置２２と、冷却媒体供給装置（冷媒供給装置）２４とを備える。
なお、制御装置２６は、燃料電池自動車１１を制御する制御装置と、燃料電池システム１０を制御する制御装置のそれぞれを制御する２つ又は２つ以上の制御装置に分けてもよい。
酸化剤ガス供給装置２０は、酸化剤ガスの供給配管３２Ａ～３２Ｅ中に、酸化剤ガス供給機としてのエアポンプ（コンプレッサ）５６と、空冷インタークーラ５４と、水冷インタークーラ５２と、加湿器５０（被加湿部）とを備え、酸化剤オフガスの排気配管３３Ａ～３３Ｃ中に、加湿器５０（加湿部）と、背圧弁６６とを備える。
酸化剤ガス供給装置２０は、配管３２Ａから取り込んだ空気（外気）をエアポンプ５６で圧縮し高温化した酸化剤ガス（過給エアともいう。）を吐出する。高温高圧縮の過給エアは、空冷インタークーラ５４で冷却され、水冷インタークーラ５２で加温又は冷却されて適温化される。
適温化された過給エアは、加湿器５０を介して適湿化され、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス入口４２に供給される。
空冷インタークーラ５４は、燃料電池自動車１１の前部に配置され、燃料電池自動車１１の前方からの空気と、エアポンプ５６で高温化され圧縮された酸化剤ガスとを熱交換して酸化剤ガスを冷却する。水冷インタークーラ５２の加温（昇温）処理及び冷却処理については後述する。
酸化剤ガス入口４２から燃料電池スタック１８内に供給された酸化剤ガスは、燃料電池スタック１８内のカソード流路（不図示）を流通して酸化剤ガス出口４４から高湿潤な酸化剤オフガスとして吐出され、加湿器５０及び背圧弁６６を介して配管３３Ｃに供給される。
加湿器５０は、酸化剤オフガスに含まれる水分の一部を内部の多孔質膜を介して回収し、水冷インタークーラ５２から供給される酸化剤ガスを加湿し、上記の適湿化した酸化剤ガスを生成する。
燃料ガス供給装置２２は、燃料ガスの供給配管３４Ａ～３４Ｃ中に、燃料ガス供給機としての燃料タンク（水素タンク）６２と、減圧弁６０と、エゼクタ５８とを備える。
燃料ガス供給装置２２は、また、燃料オフガスの流通配管３５Ａと、循環配管３６Ｂと、排出配管３６Ｃ、３６Ｄと、パージ弁７２とを備える。パージ弁７２は、排出配管３６Ｃと排出配管３６Ｄとの間に設けられる。
燃料ガス供給装置２２は、燃料タンク６２から減圧弁６０を介して減圧された燃料ガス（水素）をエゼクタ５８の駆動口及び吐出口を介して燃料電池スタック１８の燃料ガス入口４６に供給する。
燃料ガス入口４６から燃料電池スタック１８内に供給された燃料ガスは、燃料電池スタック１８内のアノード流路（不図示）を流通して燃料ガス出口４８から燃料オフガスとして配管３５Ａに吐出される。
配管３５Ａに吐出された燃料オフガスは、パージ弁７２が閉じられている場合には、配管３６Ｂを通じてエゼクタ５８の吸込口に供給される。
エゼクタ５８は、吸込口に供給された燃料オフガスを吸引し駆動口から供給された燃料ガスに混合して吐出口から吐出し燃料ガス入口４６に供給する。
なお、背圧弁６６の出口側の配管３３Ｃとパージ弁７２の出口側の配管３６Ｄは、希釈器（不図示）に連通する。希釈器は、酸化剤オフガスと燃料オフガスとを混在させ、水素濃度を規定値以下に希釈する。
燃料電池スタック１８は、それぞれ図示はしないが、例えば、固体高分子膜をカソード電極及びアノード電極で挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータによって挟持し、カソード流路及びアノード流路が形成された発電セルが積層されることに構成される。積層された発電セルの両端のセパレータが正極端子３８と負極端子４０に電気的に接続される。
燃料電池スタック１８の正極端子３８は、配線（電線又はバスバー）８６を通じて駆動部８４に接続され、燃料電池スタック１８の負極端子４０は、配線（電線又はバスバー）８８を通じて駆動部８４に接続される。
燃料電池スタック１８の各発電セルでは、カソード流路を通じてカソード電極に供給される酸化剤ガスと、アノード流路を通じてアノード電極に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
発電された電力は、正極配線８６及び負極配線８８を通じて駆動部８４に供給される。駆動部８４は、供給された電力及び（又は）蓄電装置８５の電力により配線９０を通じて負荷（車両走行用のモータを含む。）９２を駆動し、配線９４を通じてエアポンプ５６を駆動する。
駆動部８４は、また、蓄電装置８５を充放電駆動する。
配線８６には、発電電流Ｉｆｃを測定する電流センサ９６が挿入され、配線８６と配線８８との間には、発電電圧Ｖｆｃを測定する電圧センサ９８が配される。電流センサ９６と電圧センサ９８とにより発電電力Ｐｆｃを算出可能な発電電力取得器１００が構成される。
冷媒供給装置２４は、冷媒供給機としてのＦＣ冷却システム７４と、酸化剤ガスの温度調整機７８とを備える。
ＦＣ冷却システム７４は、エチレングリコール又はオイル等の液体の冷却媒体（単に、冷媒ともいう。）が流通する配管３７Ａ～３７Ｊ中に、ラジエータ７９と、混合弁７７と、冷媒ポンプ（ＷＰ：ウォータポンプ）７６とを備える。
混合弁７７は、入口弁７７Ａと、バイパス入口弁７７Ｂと、出口弁７７Ｃとを備える。
温度調整機７８は、冷媒が流通する配管３７Ｊ～３７Ｍ、３７Ｇ中に、水冷インタークーラ５２と、流量調整機としての３方弁８０とを備える。
３方弁８０は、入口弁８０Ａと、出口弁８０Ｂ、８０Ｃとを備える。
エアポンプ５６の入口側の配管３２Ａには、外気（空気）の温度（外気温度又は外部温度という。）Ｔａを測定する外部温度取得器としての温度センサ１１０が設けられる。
水冷インタークーラ５２の出口側の配管３２Ｄには、圧縮された酸化剤ガス（過給エア）の温度Ｔｓａ［℃］を測定する過給エア温度取得器としての温度センサ１１２が設けられる。
燃料電池スタック１８の冷媒入口５１の近くの配管３７Ｉには、冷媒入口温度（冷媒温度）Ｔｉｎｃ［℃］を測定する温度センサ１１６が設けられる。
燃料電池スタック１８の冷媒出口５３の近くの配管３７Ａには、冷媒出口温度（冷媒温度）Ｔｏｕｔｃを測定する温度センサ１１７が設けられる。
燃料電池スタック１８の燃料ガス出口４８の近くの配管３５Ａには、燃料電池スタック１８の温度（スタック温度）Ｔｓを測定する温度センサ１１８が設けられる。
なおスタック温度Ｔｓは、冷媒出口温度Ｔｏｕｔｃで代替することができる。
３方弁８０の入口弁８０Ａの近くの配管３７Ｊには、水冷インタークーラ５２へ供給される冷媒の温度Ｔｉｈｃを測定する温度センサ１２０が設けられる。
なお、加湿器５０の出口側の配管３２Ｅには、加湿器５０により加湿された酸化剤ガス（加湿された過給ガス）の湿度Ｈａ［％］を測定する湿度センサ１１４を設けてもよい。
制御装置２６には、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１８の発電運転を開始乃至継続（ＯＮ）させるか終了（ＯＦＦ）させるためのパワースイッチ１０４が接続される他、それぞれ図示しないアクセル開度センサ、車速センサ、蓄電装置８５のＳＯＣセンサが接続される。
制御装置２６は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成され、１以上のＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することで各種制御部等として動作する。
制御装置２６は、各種センサ及び各種取得器により検出乃至取得された情報（外気温度Ｔａ、過給エア温度Ｔｓａ、スタック温度Ｔｓ≒冷媒の温度Ｔｏｕｔｃ、冷媒の温度Ｔｉｎｃ）に基づきプログラムを実行して、それぞれが調整弁である減圧弁６０、背圧弁６６、パージ弁７２、混合弁７７、３方弁８０の弁開度を調整すると共に、駆動部８４を通じてエアポンプ５６、負荷９２及び蓄電装置８５を制御する。
［動作］
基本的には、以上のように構成される燃料電池自動車１１の燃料電池システム１０において、エアポンプ５６から燃料電池スタック１８の酸化剤ガス入口４２へ過給エアとして供給される酸化剤ガスの温度を熱交換により制御（調整）する水冷インタークーラ５２への目標冷媒流量供給処理（単に、冷媒供給処理ともいう。）について説明する。
この水冷インタークーラ５２への冷媒供給処理は、制御装置２６により実行される。
図２は、制御装置２６の記憶装置内に予め記録されている燃料電池スタック１８の発電電流密度［Ａ／ｃｍ2］又は発電電力［Ｗ］に対する発電状態別の目標冷媒流量Ｆｔａｒ［Ｌ／ｍｉｎ］の特性１５１、１５２、１５３（マップ）を示す。
また、図２には、発電電流密度［Ａ／ｃｍ2］又は発電電力［Ｗ］に対する発電状態別の目標過給エア温度（目標酸化剤ガス温度）Ｔｔａｒ［℃］の特性１５４、１５５、１５６（マップ）を併せて示している。
図２において、縦軸は、目標過給エア温度Ｔｔａｒ（この実施形態では、４５［℃］～７０［℃］の間）に対応する目標冷媒流量Ｆｔａｒ（０［Ｌ／ｍｉｎ］以上）を示している。
図２中、横軸の発電電流密度［Ａ／ｃｍ2］は、低発電電流密度、中間発電電流密度及び高発電電流密度の３つの区分に分けている。
発電電流密度［Ａ／ｃｍ2］は、電流センサ９６により検出され制御装置２６により取得された発電電流Ｉｆｃ［Ａ］を、制御装置２６が、発電セルの既定の発電面積（触媒層の面積）で除した値として算出される。
なお、横軸の発電電流密度［Ａ／ｃｍ2］は、制御装置２６が、発電電流密度［Ａ／ｃｍ2］に発電面積を乗じ、さらに電圧センサ９８により検出され制御装置２６により取得された発電電圧Ｖｆｃ［Ｖ］を乗じた値の発電電力［Ｗ］に代替してもよい。この場合、横軸の発電電力［Ｗ］は、低発電電力、中間発電電力及び高発電電力の区分に分けられている。
ここで、目標冷媒流量Ｆｔａｒを決定するための特性１５１～１５３の各発電状態について説明する。
破線で示す特性１５１は、０℃以下の氷点下のある温度、例えばマイナス数十℃程度での低温運転（外気低温）条件での発電状態における、発電電流密度に対する目標冷媒流量Ｆｔａｒを示している。
実線で示す特性１５２は、常温、この例では、２５［℃］での通常運転（外気常温）条件での発電状態における、発電電流密度に対する目標冷媒流量Ｆｔａｒを示している。
１点の黒丸で示す特性（特性点）１５３は、燃料電池スタック１８の高負荷運転条件での発電状態における、発電電流密度に対する目標冷媒流量Ｆｔａｒを示している。ここで、高負荷運転条件とは、燃料電池自動車１１が一定の長い上り坂を走行する、又は高速走行を継続する等、燃料電池スタック１８の高発電電流密度（大電力（高電力）［Ｗ］）での走行が所定時間継続する大電力量［ｋＷｈ］の消費を可能な発電状態をいう。
なお、目標冷媒流量Ｆｔａｒを決定することに代替して用いられる目標過給エア温度Ｔｔａｒを決定するための特性１５４～１５６の各発電状態についても説明しておく。
一点鎖線で示す特性１５４は、０℃以下の氷点下のある温度、例えばマイナス数十℃程度での低温運転（外気低温）条件での発電状態における、発電電流密度に対する目標過給エア温度Ｔｔａｒを示している。
二点鎖線で示す特性１５５は、常温、この例では、２５［℃］での通常運転（外気常温）条件での発電状態における、発電電流密度に対する目標過給エア温度Ｔｔａｒを示している。
１点の白丸で示す特性（特性点）１５６は、燃料電池スタック１８の高負荷運転条件（上記）での発電状態における、発電電流密度に対する目標過給エア温度Ｔｔａｒを示している。
図３は、ＦＣ冷却システム（冷媒供給機）７４から温度調整機７８の水冷インタークーラ５２に供給される冷媒の流量を図２に示した目標冷媒流量Ｆｔａｒに制御するための冷媒供給処理の手順を示すフローチャートである。図３のフローチャートによる冷媒供給処理は、制御装置２６により所定の周期で繰り返し実行される。
ステップＳ１にて、制御装置２６は、パワースイッチ１０４がＯＮ状態であるか否（ＯＦＦ状態）かを判定する。
パワースイッチ１０４がＯＦＦ状態にある（ステップＳ１：ＮＯ）場合、制御装置２６は、冷媒供給処理を終了する。
パワースイッチ１０４がＯＮ状態にある（ステップＳ１：ＹＥＳ）場合、ステップＳ２にて、制御装置２６は、アクセル開度、車速、道路勾配等に基づき燃料電池スタック１８への要求発電電力Ｐｆｃｒｅｑを算出する。さらに、ステップＳ２にて、制御装置２６は、燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃが、算出した要求発電電力Ｐｆｃｒｅｑになるように、エアポンプ５６を含む酸化剤ガス供給装置２０及び燃料タンク６２を含む燃料ガス供給装置２２を制御すると共に、冷媒ポンプ７６を含むＦＣ冷却システム７４及び水冷インタークーラ５２を含む冷媒供給装置２４を制御する。
ステップＳ３にて、制御装置２６は、温度センサ１１０による外部温度（外気温度）Ｔａ［℃］と、温度センサ１１２による酸化剤ガス（過給エア）の温度Ｔｓａ［℃］と、スタック温度Ｔｓを示す冷媒出口温度Ｔｏｕｔｃとを取得する。
また、ステップＳ３にて、制御装置２６は、温度センサ１１７により取得される冷媒出口温度Ｔｏｕｔｃ［℃］に基づき燃料電池スタック１８内のカソード流路の推定温度を算出する。
さらに、ステップＳ３にて、制御装置２６は、外気温度Ｔａが、予め定めた低温閾値Ｔｌｏｗ（例えば、０［℃］）未満であるか否かを判定すると共に、冷媒出口温度Ｔｏｕｔｃと過給エア温度Ｔｓａ（カソード流路の推定温度）に基づき燃料電池スタック１８内のカソード流路内で結露が発生するか否かを判定する。
制御装置２６が、外気温度Ｔａが低温閾値Ｔｌｏｗ未満であって且つカソード流路内で結露が発生すると判定した（ステップＳ３：ＹＥＳ）場合、冷媒供給処理は、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４にて、制御装置２６は、低温運転（外気低温）条件の特性１５１を参照して、目標冷媒流量Ｆｔａｒを取得し、水冷インタークーラ５２にＦＣ冷却システム７４から目標冷媒流量Ｆｔａｒの冷媒を供給することで過給エアを昇温し、ステップＳ１に進む。
このステップＳ４では、特性１５４に示すように、外部温度である外気温度Ｔａが氷点等の所定温度（低温閾値Ｔｌｏｗ）未満の場合、前記発電電力が増加する（少なくとも、発電電力が中間発電電力中の所定電力から増加する）に従い、燃料電池スタック１８に供給される過給エア（酸化剤ガス）の温度Ｔｓａが高くなるように調整される。
このように、低温下であっても、水冷インタークーラ５２により過給エアを加温（昇温）することで、燃料電池スタック１８の内部温度と、該燃料電池スタック１８に供給される過給エア（酸化剤ガス）の温度Ｔｓａとの温度差により結露が発生することを抑制することができ、燃料電池スタック１８の発電効率の低下を払拭することができる。
燃料電池スタック１８内に結露が発生することが抑制されるので、カソード流路内でのフラッディングの発生が抑制される。
図４は、ステップＳ４にて、水冷インタークーラ５２により過給エアを昇温する場合の燃料電池システム１０における冷媒の流れ（経路）を太い矢線で示している。
図４の矢線の冷媒経路に示すように、燃料電池スタック１８の反応熱により燃料電池スタック１８内で昇温され冷媒出口５３から吐出された冷媒は、配管３７Ａを通じ、ラジエータ７９をバイパスする配管（バイパス配管）３７Ｃを通じ、混合弁７７の入口弁７７Ｂ、出口弁７７Ｃを通じ、作動中の冷媒ポンプ７６を通じて分岐し、配管３７Ｊ、３方弁８０の入口弁８０Ａ、出口弁８０Ｂ、配管３７Ｋを通じて水冷インタークーラ５２の内部に供給される。冷媒は、水冷インタークーラ５２内部で過給エアと熱交換して過給エアを昇温する。
なお、ステップＳ４の処理中には、制御装置２６により３方弁８０の出口弁８０Ｂと出口弁８０Ｃの流量比が、１００［％］と０［％］に調整されている。
水冷インタークーラ５２内で過給エアを昇温することで降温された冷媒は、配管３７Ｍ、３７Ｇを通じて配管３７Ｆに流通する。降温された前記冷媒は、この配管３７Ｆで、燃料電池スタック１８内で反応熱により昇温された冷媒と混合されて冷媒ポンプ７６に吸い込まれ、冷媒ポンプ７６から加温された冷媒として吐出される。
一方、外気温度Ｔａが低温閾値Ｔｌｏｗ以上であって結露が発生しない又は外気温度Ｔａが低温閾値Ｔｌｏｗ未満であっても、結露が発生しないと判定された（ステップＳ３：ＮＯ）場合、冷媒供給処理は、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５にて、制御装置２６は、発電電力取得器１００により取得している燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃ［Ｗ］が高発電電力領域（図２参照）にあって、且つ所定時間継続する高負荷運転状態にあるか否かを判定する。
燃料電池自動車１１が、例えば長い上り坂を運転中等の燃料電池スタック１８の高負荷運転状態にはない（ステップＳ５：ＮＯ）中負荷以下での運転状態（通常運転状態という。）である場合、冷媒供給処理はステップＳ６に進む。
ステップＳ６にて、制御装置２６は、温度センサ１１２により取得される過給エアの温度Ｔｓａが、燃料電池スタック１８が高効率発電を行える要求温度（高効率発電要求温度）Ｔｒｅｑを上回る温度であるか否かを判定する。
高効率発電要求温度Ｔｒｅｑを上回る温度である（ステップＳ６：ＹＥＳ）場合、冷媒供給処理は、ステップＳ７に進み、高効率発電要求温度Ｔｒｅｑを上回らない温度である（ステップＳ６：ＮＯ）場合、冷媒供給処理はステップＳ８に進む。
ステップＳ７にて、制御装置２６は、過給エアの昇温を抑制するために、３方弁８０の出口弁８０Ｂ、８０Ｃの流量比を出口弁８０Ｂ側が一定量少なくなり、出口弁８０Ｃ側が一定量多くなるように調整する。
図５は、ステップＳ７の処理後の冷媒の流れを矢線で示している。図５によれば、図４に比較して、冷媒は、水冷インタークーラ５２での加温に供しない出口弁８０Ｃにも流れている。また、ＦＣ冷却システム７４から温度調整機７８の水冷インタークーラ５２に供給される冷媒の温度は、ラジエータ７９による放熱及び混合弁７７の出力弁開度比に基づき制御することができる。
ステップＳ７での３方弁８０の冷媒流量の調整により、水冷インタークーラ５２への冷媒供給流量が低減されて、水冷インタークーラ５２を通過する過給エアの昇温を抑制することができる。
ステップＳ８にて、制御装置２６は、温度センサ１１２により取得される過給エアの温度Ｔｓａが、燃料電池スタック１８の高効率発電要求温度Ｔｒｅｑを下回る温度であるか否かを判定する。
高効率発電要求温度Ｔｒｅｑを下回る温度である（ステップＳ８：ＹＥＳ）場合、冷媒供給処理は、ステップＳ９に進み、要求温度Ｔｒｅｑに等しい温度である（ステップＳ８：ＹＥＳ）場合、制御処理はステップＳ１０に進む。
ステップＳ９にて、制御装置２６は、水冷インタークーラ５２により過給エアを昇温するために、３方弁８０の出口弁８０Ｂ、８０Ｃの流量比を出口弁８０Ｂ側が一定量多くなり、出口弁８０Ｃ側が一定量少なくなるように調整する。実際上、制御装置２６は、通常運転（外気常温）の特性１５２を参照して水冷インタークーラ５２への目標冷媒流量Ｆｔａｒとなるように、冷媒ポンプ７６の吐出流量と３方弁８０の流量比を制御する。
ステップＳ９での３方弁８０による冷媒流量の調整により、水冷インタークーラ５２への冷媒供給流量が増加されて、過給エアが昇温され、過給エア温度Ｔｓａが高くなる。
ステップＳ１０にて、制御装置２６は、水冷インタークーラ５２への冷媒の目標供給流量を維持（Ｔｓａ＝Ｔｒｅｑ）してステップＳ１に戻る。
ステップＳ６～Ｓ１０の処理は、燃料電池スタック１８の中負荷時であり、３方弁８０の開度調整により加湿器５０に供給される過給エアの温度を水冷インタークーラ５２により調整することができる。
上記したステップＳ５の判定が肯定的である（ステップＳ５：ＹＥＳ）場合、言い換えれば、燃料電池スタック１８が高負荷運転状態にある場合には、まず、ステップＳ１１にて、制御装置２６は、空冷インタークーラ５４が正常に作動しているか否（異常）かを判定する。
制御装置２６により判定される空冷インタークーラ５４の異常は、水冷インタークーラ５２を目標冷媒流量Ｆｔａｒで制御しても、温度センサ１１２により取得されている過給エアの温度Ｔｓａが異常に上昇することにより判断することができる。
制御装置２６は、空冷インタークーラ５４が正常に作動していると判定した（ステップＳ１１：ＹＥＳ）場合、ステップＳ１２にて、図６に示すように、３方弁８０の出口弁８０Ｂの開度を０［％］、出口弁８０Ｃの開度を１００［％］にして、水冷インタークーラ５２による過給エアの加温制御（熱交換）を停止する。
この場合、図２の特性１５３に示すように、目標冷媒流量Ｆｔａｒは０値とされる。
このように、燃料電池スタック１８の高負荷時には、３方弁８０から水冷インタークーラ５２への冷媒流入を遮断することで、正常な空冷インタークーラ５４によって冷却された過給エアの温度を再度水冷インタークーラ５２により昇温することを未然に防止できる。結果として、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口４４から排出される湿潤な酸化剤オフガス（加湿ガス）と過給エア（乾燥した空気である被加湿ガス）との間の加湿器５０での加湿性能を満足することができる高過ぎない適温の過給エア温度Ｔｓａを維持することができる。
一方、制御装置２６は、空冷インタークーラ５４が正常に作動していないと判定した（ステップＳ１１：ＮＯ）場合、ステップＳ１３にて、図７に示すように、３方弁８０の出口弁８０Ｂの開度を１００［％］、出口弁８０Ｃの開度を０［％］にして、水冷インタークーラ５２により過給エアを冷却する温度制御（熱交換）を実施する。
この温度制御により、空冷インタークーラ５４が異常で空冷インタークーラ５４の機能が失陥しても、水冷インタークーラ５２の下流側の部品である加湿器５０や燃料電池スタック１８の熱破壊等の熱害を未然に防止することができる。
なお、上記実施形態では、それぞれが、流量比可変の３方弁８０及び混合弁７７を用いているが、それぞれを、２つのオン・オフ弁により構成し、各オン・オフ弁のデューティ比を調整することによっても流量比を可変することができる。
［変形例１］
流量調整機としての３方弁８０の出口弁８０Ｂ、８０Ｃの流量比を、以下のように制御してもよい。
燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃ又は加湿器５０の加湿状態（例えば、冷媒出口温度Ｔｏｕｔｃと過給エア温度Ｔｓａにより、又は湿度センサ１１４により取得される湿度Ｈａにより、カソード流路内に水の凝縮が発生する状態か否か）に基づき設定される前記酸化剤ガスの目標温度（目標過給エア温度Ｔｔａｒ）と、酸化剤ガス温度センサ１１２により取得される実温度Ｔｓａと、の差分に基づき、実温度Ｔｓａが目標過給エア温度Ｔｔａｒになるように、冷媒供給機としてのＦＣ冷却システム７４から３方弁８０を介して液冷式熱交換器である水冷インタークーラ５２に供給される冷媒の流量を調整するようにしてもよい。
変形例１によれば、酸化剤ガスの実温度Ｔｓａを適切な温度に調整可能であり、燃料電池スタック１８の発電効率を高めることができる。
［変形例２］
図３のフローチャートのステップＳ２以降の処理は、外部気温が氷点下以下の低温時においては、燃料電池スタック１８の発電電力Ｐｆｃにより燃料電池自動車１１が走行可能状態になるまでの燃料電池システム１０の暖気制御完了後に実施するようにしてもよい。このようにすれば、他の加熱器を利用することなく、燃料電池スタック１８の反応熱を利用して燃料電池スタック１８に供給される酸化剤ガス（過給エア）の温度Ｔｓａを適温化することができる。
［実施形態及び変形例から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態及び変形例から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には、上記実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。
（１）この発明に係る燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック１８と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機と、前記酸化剤ガス供給機により供給される前記酸化剤ガスの温度を調整する温度調整機７８と、前記燃料電池スタックの外部温度を取得する外部温度取得器と、前記燃料電池スタックの発電電力を取得する発電電力取得器１００と、を備え、前記温度調整機は、前記発電電力が所定値以上では、前記発電電力が増加するに従い、前記酸化剤ガスの温度が高くなるように調整する（特性１５４参照）。
この発明によれば、燃料電池スタックの内部温度と、該燃料電池スタックに供給される過給エアである酸化剤ガスとの温度差によりカソード流路内に結露が発生することを抑制してカソード流路内でのフラッディングの発生を防止することができ、燃料電池スタックの発電効率の低下を払拭することができる。
（２）この発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機と、前記酸化剤ガス供給機により供給される前記酸化剤ガスの温度を調整する温度調整機と、前記燃料電池スタックの外部温度を取得する外部温度取得器と、前記燃料電池スタックの発電電力を取得する発電電力取得器と、を備え、前記温度調整機は、外部温度が所定温度未満の場合、前記発電電力が増加するに従い、前記酸化剤ガスの温度が高くなるように調整する（特性１５４参照）。
この発明によれば、燃料電池スタックの内部温度と、該燃料電池スタックに供給される過給エアである酸化剤ガスとの温度差によりカソード流路内に結露が発生することを抑制してカソード流路内でのフラッディングの発生を防止することができ、燃料電池スタックの発電効率の低下を払拭することができる。
（３）この発明に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックに温度調整用の冷媒を供給する冷媒供給機７４をさらに備え、前記温度調整機は、前記酸化剤ガス供給機から吐出される酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するガス配管に設けられた液冷式熱交換器と、前記冷媒供給機から吐出される前記冷媒を前記液冷式熱交換器に流す配管３７Ｋと、前記配管に流れる前記冷媒の流量を調整する流量調整機と、を含んで構成される。
この発明によれば、燃料電池スタックの温度調整用の冷媒供給機を酸化剤ガスの温度調整用に流用できるので、燃料電池システムの部品点数低減、コスト低減を図ることができる。
（４）この発明に係る燃料電池システムにおいて、前記流量調整機は、前記外部温度が前記所定温度以下の場合に、前記発電電力が所定値以上では、前記発電電力が増加するに従い、前記冷媒供給機から前記液冷式熱交換器に供給される前記冷媒の流量を増加させるように調整する。
この発明によれば、外部温度が所定温度以下の場合に、発電電力が所定値以上では、前記発電電力が増加するに従い、冷媒供給機から液冷式熱交換器に供給される冷媒の流量を増加させるように調整している。この場合、燃料電池スタックの電気化学反応により生じた反応熱により加温された冷媒の流量を増加させることになるので、液冷式熱交換器により効果的に酸化剤ガスを暖気することができる。これにより、燃料電池スタックと酸化剤ガスとの温度差を原因とする燃料電池スタック内の液滴の発生を抑制できる。
（５）この発明に係る燃料電池システムにおいて、前記流量調整機は、前記外部温度が前記所定温度より高い場合に、前記燃料電池スタックの発電電力が増加することに従い、前記冷媒供給機から前記液冷式熱交換器に供給される冷媒の流量が少なくなるように調整する。
この発明によれば、外部温度が所定温度より高く、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの温度が高い場合には、酸化剤ガスと燃料電池スタックとの温度差が少なく、液滴が発生するおそれが少ないため、液冷式熱交換器への冷媒の供給流量を少なくすることで、適切な温度の酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することができ、発電効率を向上させることができる。
（６）この発明に係る燃料電池システムにおいて、前記液冷式熱交換器から前記ガス配管を通じて前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスの実温度を取得する酸化剤ガス温度センサ１１２と、前記ガス配管に設けられ、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器５０と、をさらに備え、前記流量調整機は、前記燃料電池スタックの発電電力又は前記加湿器の加湿状態に基づき設定される前記酸化剤ガスの目標温度と、前記酸化剤ガス温度センサにより取得される実温度と、の差分に基づき、前記冷媒供給機から前記液冷式熱交換器に供給される冷媒の流量を調整する。
この発明によれば、酸化剤ガスの目標温度と、酸化剤ガス温度センサにより取得される実温度と、の差分に基づき、冷媒供給機から液冷式熱交換器に供給される冷媒の流量を調整するので、酸化剤ガスの実温度を適切な温度に調整可能であり、燃料電池スタックの発電効率を高めることができる。
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。
１０…燃料電池システム １１…燃料電池自動車
１８…燃料電池スタック ２０…酸化剤ガス供給装置
２２…燃料ガス供給装置 ２４…冷媒供給装置
２６…制御装置 ３８…正極端子
４０…負極端子 ５０…加湿器
５２…水冷インタークーラ ５４…空冷インタークーラ
５６…エアポンプ ５８…エゼクタ
６０…減圧弁 ６２…燃料タンク
６４…ＦＣ冷却システム ６６…背圧弁
７２…パージ弁 ７４…ＦＣ冷却システム
７６…冷媒ポンプ ７７…混合弁
７８…温度調整機 ８０…３方弁（流量調整機）
１００…発電電力取得器 １０４…パワースイッチ

Claims (6)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機と、
    前記酸化剤ガス供給機により供給される前記酸化剤ガスの温度を調整する温度調整機と、
    前記燃料電池スタックの外部温度を取得する外部温度取得器と、
    前記燃料電池スタックの発電電力を取得する発電電力取得器と、
    前記燃料電池スタックに温度調整用の冷媒を供給する冷媒供給機と、
    を備え、
    前記温度調整機は、
    前記酸化剤ガス供給機から吐出される前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するガス配管に設けられた液冷式熱交換器と、
    前記冷媒供給機から吐出される前記冷媒を前記液冷式熱交換器に流す配管と、
    前記配管に流れる前記冷媒の流量を調整する流量調整機と、を含んで構成されるものであり、
    前記温度調整機は、
    前記発電電力が所定値以上では、前記発電電力が増加するに従い、前記酸化剤ガスの温度が高くなるように調整する
    燃料電池システム。
  2. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機と、
    前記酸化剤ガス供給機により供給される前記酸化剤ガスの温度を調整する温度調整機と、
    前記燃料電池スタックの外部温度を取得する外部温度取得器と、
    前記燃料電池スタックの発電電力を取得する発電電力取得器と、
    を備え、
    前記温度調整機は、
    前記外部温度が所定温度未満の場合、
    前記発電電力が増加するに従い、前記酸化剤ガスの温度が高くなるように調整する
    燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池スタックに温度調整用の冷媒を供給する冷媒供給機をさらに備え、
    前記温度調整機は、
    前記酸化剤ガス供給機から吐出される前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するガス配管に設けられた液冷式熱交換器と、
    前記冷媒供給機から吐出される前記冷媒を前記液冷式熱交換器に流す配管と、
    前記配管に流れる前記冷媒の流量を調整する流量調整機と、を含んで構成される
    燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記流量調整機は、
    前記外部温度が前記所定温度以下の場合に、
    前記発電電力が所定値以上では、前記発電電力が増加するに従い、前記冷媒供給機から前記液冷式熱交換器に供給される前記冷媒の流量を増加させるように調整する
    燃料電池システム。
  5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記流量調整機は、
    前記外部温度が前記所定温度より高い場合に、
    前記燃料電池スタックの前記発電電力が増加することに従い、前記冷媒供給機から前記液冷式熱交換器に供給される前記冷媒の流量が少なくなるように調整する
    燃料電池システム。
  6. 請求項１、３又は４に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記液冷式熱交換器から前記ガス配管を通じて前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスの実温度を取得する酸化剤ガス温度センサと、
    前記ガス配管に設けられ、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、をさらに備え、
    前記流量調整機は、
    前記燃料電池スタックの前記発電電力又は前記加湿器の加湿状態に基づき設定される前記酸化剤ガスの目標温度と、前記酸化剤ガス温度センサにより取得される前記実温度と、の差分に基づき、前記冷媒供給機から前記液冷式熱交換器に供給される前記冷媒の流量を調整する
    燃料電池システム。
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