(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスまたは空気のいずれか一方または双方を水タンクからの水を用いて加湿する加湿手段と、
前記燃料ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、
該燃料電池から水を回収する水回収手段と、
燃料電池を冷却する冷却手段と、を備え、前記水回収手段からの回収水を前記水タンクに戻して再利用する燃料電池システムにおいて、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記水タンクの水位値を検出する水位検出手段と、
前記外気温度検出手段が所定の外気温度以上になったことを検知した時に前記水タンクの水位値が所定の下限値を超えていれば、燃料電池の出力を制限せずに燃料電池システムの外への水蒸気の排気を増加させる高温時制御を行う一方、該外気温度検出手段が所定の外気温度以上になったことを検知した時に前記水タンクの水位が所定の下限値以下であれば、燃料電池の出力を制限して燃料電池システムの外への水蒸気の排気を増加させる高温時制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定の外気温度は、燃料電池に要求される出力を確保するのに必要な放熱量が前記冷却手段の能力を上回る温度であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、要求される燃料電池出力が所定要求値を超えてから所定時間内であることを前記高温時制御の作動条件とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水回収手段は、燃料電池内の空気極に隣接して設けられた水チャンネルであり、前記高温時制御は、燃料電池の空気極の圧力を低下させる制御であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水回収手段は、燃料電池の空気極の排気と、空気極の吸気との間の温度及び湿度を交換する湿度交換型熱交換器であり、前記高温時制御は、空気極の排気もしくは空気極の吸気に湿度交換型熱交換器をバイパスさせる制御であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池から排出される排気から水を回収して再利用することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車用の燃料電池システムでは、加湿用の水の補給が困難であるため、燃料電池の排気から生成水及び加湿水を回収して再利用している。例えば、特開２００１−２３６７８号記載の「燃料電池システム」（以下、第１従来技術）では、燃料電池から排出される排ガスから水を回収するコンデンサ（凝縮器）と、回収された水を貯留する水タンクと、水タンクからの水を使用してメタノールを改質する改質器とを備えている。そしてコンデンサから排出される排気温度に応じて、燃料電池システム内で水収支が平衡する平衡運転圧力を算出し、平衡運転圧力以上の運転点で燃料電池を運転するようにして水収支を確保している。
【０００３】
また、特開平５−７４４７７号公報記載の「燃料電池発電プラントの出力制限装置」（以下、第２従来技術）では、排熱除去装置として冷却塔を備え、冷却塔の空気入口の温度を検出し、この大気温度信号から出力上限値関数発生器により出力上限値を算出している。この出力上限値は、生成余剰熱と冷却塔の最大熱放散能力とが等しくなる熱量である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１従来技術においては、常に水収支が平衡する平衡運転圧力を確保を確保し、かつ大きな出力を確保しようとした場合、非常に大きな放熱を行わなくてはならず、特に外気温度が高い場合はラジエータの汽水温度差がとれず、大きな放熱係数をもつラジエータが必要となり、冷却系の容積及び重量が増大するという問題点があった。
【０００５】
特に、それらの大きさが制限される車両用の燃料電池システムでは、冷却系のレイアウトが困難になる。しかし、かといって水回収を諦め圧力を低下させると、非常に電気伝導度の低い、入手しづらい純水を車両に補給しながら走行しなければならない。そして、小さな冷却系のまま外気温が高いときに高出力で運転すると、燃料電池の温度が上昇し、許容温度を越えてしまう。
【０００６】
また、上記第２従来技術においては、放熱の困難な外気温以上では出力を制限することが示されている。これを車輌用燃料電池システムに適用した場合、真夏において、常に最高出力を制限する必要が生じ、非常に動力性能が低下した車輌となるという問題点が生じる。車輌運転者が一時的に急加速を意図した場合においても、出力が制限され、運転者の加速意図に応えられなくなることも考えられる。
【０００７】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、冷却系の容積及び重量の増大を抑制しながら純水の補給が不要な燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
また、本発明の目的は、高温時にも燃料電池の出力を制限することなく、車両に適用した場合、運転者の急加速要求にも応えられる燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、水素を含む燃料ガスまたは空気のいずれか一方または双方を水タンクからの水を用いて加湿する加湿手段と、前記燃料ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、該燃料電池から水を回収する水回収手段と、燃料電池を冷却する冷却手段と、を備え、前記水回収手段からの回収水を前記水タンクに戻して再利用する燃料電池システムにおいて、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記水タンクの水位値を検出する水位検出手段と、前記外気温度検出手段が所定の外気温度以上になったことを検知した時に前記水タンクの水位値が所定の下限値を超えていれば、燃料電池の出力を制限せずに燃料電池システムの外への水蒸気の排気を増加させる高温時制御を行う一方、該外気温度検出手段が所定の外気温度以上になったことを検知した時に前記水タンクの水位が所定の下限値以下であれば、燃料電池の出力を制限して燃料電池システムの外への水蒸気の排気を増加させる高温時制御を行う制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記所定の外気温度は、燃料電池に要求される出力を確保するのに必要な放熱量が前記冷却手段の能力を上回る温度であることを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、要求される燃料電池出力が所定要求値を超えてから所定時間内であることを前記高温時制御の作動条件とすることを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収手段は、燃料電池内の空気極に隣接して設けられた水チャンネルであり、前記高温時制御は、燃料電池の空気極の圧力を低下させる制御であることを要旨とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収手段は、燃料電池の空気極の排気と、空気極の吸気との間の温度及び湿度を交換する湿度交換型熱交換器であり、前記高温時制御は、空気極の排気もしくは空気極の吸気に湿度交換型熱交換器をバイパスさせる制御であることを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、水素を含む燃料ガスまたは空気のいずれか一方または双方を水タンクからの水を用いて加湿する加湿手段と、前記燃料ガス及び空気を用いて発電する燃料電池と、該燃料電池から水を回収する水回収手段と、燃料電池を冷却する冷却手段と、を備え、前記水回収手段からの回収水を前記水タンクに戻して再利用する燃料電池システムにおいて、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記水タンクの水位値を検出する水位検出手段と、前記外気温度検出手段が所定の外気温度以上になったことを検知した時に前記水タンクの水位値が所定の下限値を超えていれば、燃料電池の出力を制限せずに燃料電池システムの外への水蒸気の排気を増加させる高温時制御を行う一方、該外気温度検出手段が所定の外気温度以上になったことを検知した時に前記水タンクの水位が所定の下限値以下であれば、燃料電池の出力を制限して燃料電池システムの外への水蒸気の排気を増加させる高温時制御を行う制御手段と、を備えたことにより、万が一の水タンクの水枯渇によるシステム停止を防止した上で、所定の外気温度以上の高温時に燃料電池から水蒸気を多く含む排気を行って、多量の蒸発潜熱を放熱することが可能となり、高出力を出しても、燃料電池温度が上昇して劣化することを防止できるという効果がある。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記所定の外気温度は、燃料電池に要求される出力を確保するのに必要な放熱量が前記冷却手段の能力を上回る温度であることとしたので、高温時制御の必要性を適切に判定し、水回収性能と高温時の出力性能とを両立させることができるという効果がある。
【００１８】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、前記制御手段は、要求される燃料電池出力が所定要求値を超えてから所定時間内であることを前記高温時制御の作動条件とすることにより、少なくとも一時的には燃料電池の出力を制限することなく要求出力を出力できるという効果がある。
【００１９】
特に燃料電池システムを車両に用いた場合に、アクセルペダルの踏み込みにより、要求される燃料電池出力が所定値を超えた場合、そのアクセル踏み込みから所定時間の間は所望の出力が得られるようになるので、高気温で放熱が厳しい条件下においても、咄嗟の運転者の危険回避等に必要なパワーを燃料電池が出力することが可能になるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３記載の発明の効果に加えて、前記水回収手段は、燃料電池内の空気極に隣接して設けられた水チャンネルであり、前記高温時制御は、燃料電池の空気極の圧力を低下させる制御であることにより、特別に独立した水回収手段を持たない小型化された燃料電池システムにおいても、同様の効果が得られる。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４記載の発明の効果に加えて、前記水回収手段は、燃料電池の空気極の排気と、空気極の吸気との間の温度及び湿度を交換する湿度交換型熱交換器であり、前記高温時制御は、空気極の排気もしくは空気極の吸気に湿度交換型熱交換器をバイパスさせる制御であることにより、排気側から熱と水蒸気が捨てられ、吸気側から燃料電池に持ち込む熱と水蒸気が低下するため、スタックの放熱が有効に行われ、必要な出力を確保した上で、スタックの温度が上昇し許容値に達することを防止できるという効果がある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車１０の構成を示すシステム構成図である。図２は、第１の実施形態の制御ブロック図である。図３は、第１の実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【００２３】
図１において、改質器１３は、燃料タンク１５から供給される燃料となるメタノール１７を、水タンク１９から供給される純水２１を用いて水蒸気改質し、水素を含んだ改質ガス２３を生成する。また、改質器１３は、コンプレッサ２５から供給される空気２７と、燃料タンク１５から供給されるメタノール（メチルアルコール）１７を部分酸化させて改質ガスを生成する場合もある。なお、上述した水蒸気改質は吸熱反応であり、部分酸化は発熱反応である。
【００２４】
改質器１３から供給される改質ガス２３と、コンプレッサ２５から供給される空気２７とは、燃料電池（スタック）２９の燃料極と空気極とにそれぞれ送気され、改質ガス２３中の水素と空気２７中の酸素との電気化学反応により直流電力が発電される。ここで、改質ガス２３中の水素と空気２７中の酸素とは、燃料電池２９内で全てが消費される訳ではなく、一部を残して、それぞれ圧力調整弁６３，６５を介して燃焼器３７へ送気される。燃焼器３７では、改質ガス２３中の残った水素を空気２７中の残った酸素で燃焼される。燃焼器３７で発生する燃焼反応熱は、改質器１３でメタノール１７や純水２１を気化するためや、水蒸気改質の吸熱反応のための熱源として利用される。
【００２５】
水タンク１９に貯留された純水は、冷却水として空気極に隣接して設けられた純水チャンネル７３を介して燃料電池２９と、中間熱交換器３５との間を循環し、改質ガス２３または空気２７のいずれか一方または双方の供給ガスと冷却水との間で、ポーラスなバイポーラプレートを介して水のやり取りがある。これにより、純水チャンネル７３は供給ガスを加湿する加湿手段として機能するとともに、水素と酸素との電気化学反応により発生した生成水および加湿に使用した水の一部は、この冷却水の中に回収することが可能であり、水回収手段として機能する。このようなポーラスタイプのバイポーラプレートを備えた燃料電池は、例えば特開平８−２５０１３０号公報として公知である。
【００２６】
中間熱交換器３５は、純水チャンネル７３の純水と、ＬＬＣチャンネル７５のＬＬＣとの間で熱交換する熱交換器である。ＬＬＣチャンネル７５は、中間熱交換器３５とラジエータ４１との間でＬＬＣ（ロング・ライフ・クーラント、不凍液）を循環させ、中間熱交換器３５で純水から奪った熱をラジエータ４１から外気へ放散させる。燃料電池の冷却系を純水チャンネル７３とＬＬＣチャンネル７５とに分割するのは、自動車への実装を容易にするためと、純水循環系に対する凍結防止策を容易にするためである。
【００２７】
２次電池４５は、燃料電池２９が発電した電力や、車両が減速する際にモータ４７によって発電された回生電力を蓄電する一方、燃料電池システムの起動時や、車両の発進加速時に不足する電力を燃料電池の補機やモータ４７へ供給する。
【００２８】
電力調整器４９は、電力制御器５１からの制御信号に応じて、モータ４７が消費する走行電力、コンプレッサ２５，改質器１３，燃焼器３７等で消費する補機電力を燃料電池２９による発電電力で賄えなかった場合には、２次電池４５からモータ４７及び上記補機類へ給電するように電力を配分する。なお、電力調整器４９の内部には、燃料電池２９により発電された電圧Ｖ及び出力電流Ｉを検出する電圧センサ及び電流センサが設けられており、これらの検出結果はシステム制御装置５７に出力される。
【００２９】
電力制御装置５１は、アクセルペダル５３の踏み込み量をアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）５５で検知して得られたアクセル開度信号（ＡＰＯ）に基づいて、電力調整器４９を介してモータ４７へ供給する電力量を制御する。モータ４７の回転力は、減速及び差動機能を有するギア７７を介して駆動輪のタイヤ７９を回転させることにより、燃料電池自動車１１が駆動される。
【００３０】
圧力センサ５９は、コンプレッサ２５から燃料電池２９へ供給される空気２７の圧力を検出して空気圧力値をシステム制御装置５７へ出力する。また、圧力センサ６１は、改質器１３から燃料電池２９へ供給される改質ガス２３の圧力を検出して改質ガス圧力値をシステム制御装置５７へ出力する。
【００３１】
圧力調整弁６３は、燃料電池２９から燃焼器３７へ送気される排出改質ガスの圧力を調整する。また、圧力調整弁６５は、燃料電池２９から燃焼器３７へ送気される排出空気の圧力を調整する。
【００３２】
外気温度センサ６９は、外気の温度を検出して外気温度信号（Ｔａｔｍ）をシステム制御装置５７へ出力する。
【００３３】
水タンク１９には、タンク内に貯留された純水の水位を検知する水レベルセンサ７１が設けられ、検知された水タンク水位信号（Ｌｗ）はシステム制御装置５７へ出力される。
【００３４】
システム制御装置５７は、圧力センサ５９で検知された空気圧力値、圧力センサ６１で検知された改質ガス圧力値を監視して、圧力調整弁６３，６５の開度を調節して燃料電池の運転圧力を制御する。また、システム制御装置５７は、電力調整器４９内の電圧センサ及び電流センサにより検出された燃料電池の電圧Ｖ及び電流Ｉに基づいて、燃料電池システムの運転負荷を算出する。
【００３５】
さらに、システム制御装置５７は、外気温度検出手段としての外気温センサ６９が所定の外気温度以上になったことを検知した時、燃料電池システムの外への水蒸気の排気を増加させる高温時制御を行う制御手段として動作し、所定の外気温度以上の高温時に燃料電池から水蒸気を多く含む排気を行って、多量の蒸発潜熱を放熱するように制御するものである。
【００３６】
ところで、燃料電池２９における水回収量は、空気２７及び改質ガス２３のガス圧力（運転圧力）が高いほど多くなる。逆に、ガス圧力を低下させると回収する水量は減るが、その分は燃料電池システムの外へ水蒸気として排気され、水蒸気と共にこれに含まれる潜熱が排出されるので、燃料電池の温度は低下する。
【００３７】
燃料電池への供給ガスである空気２７と改質ガス２３の圧力は、各々圧力センサ５９，６１で検出され、燃料電池の排水素通路、排空気通路に設けられた圧力調整弁６３，６５の開度を制御することにより、所定の燃料電池運転圧力に制御可能な構成となっている。
【００３８】
図２は、システム制御装置５７における燃料電池運転点制御及び外気温センサ６９の検出値に基づく高温時制御の内容を説明するブロック図である。システム制御装置５７は、外気温Ｔａｔｍに対する燃料電池の出力上限値ＰＷｌｉｍを記憶した外気温−出力上限値マップ１０１と、出力上限値ＰＷｌｉｍと要求出力ＰＷｄとのいずれか小さい方を出力するセレクト・ロウ回路１０２と、セレクト・ロウ回路の出力と要求出力ＰＷｄのいずれかを切り換えて燃料電池出力ＰＷｇとして出力するスイッチ１０３と、燃料電池出力ＰＷｇ及び外気温Ｔａｔｍに対する圧力上限値Ｐｆｃｌｉｍを記憶した外気温−圧力上限値マップ１０４と、水タンク水位Ｌｗと水位下限値Ｌｗｌｏｗとを比較し水位Ｌｗが下限値Ｌｗｌｏｗを超えていればスイッチ１０３に要求出力ＰＷｄを選択させ，超えていなければセレクト・ロウ回路１０２の出力を選択させる選択信号を出力するコンパレータ１０５と、水タンク水位Ｌｗに対する運転圧力の１次目標値Ｐｆｃ１を記憶した水タンク水位−運転圧力マップ１０６と、圧力上限値Ｐｆｃｌｉｍと運転圧力の１次目標値Ｐｆｃ１とのいずれか小さい方を選択して運転圧力制御目標値として出力するセレクト・ロウ回路１０７と、を備えている。
【００３９】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態における制御動作について説明する。なお、この制御はシステム制御装置５７により、一定時間（例えば１０ｍＳ）毎に行われるものである。
【００４０】
図３において、まずＳ１０で外気温度Ｔａｔｍ、水タンク水位Ｌｗ、要求出力ＰＷｄをそれぞれ検出する。要求出力ＰＷｄは、車輌側から要求される燃料電池出力で、アクセル開度信号（ＡＰＯ）による加速要求や２次電池の充電量（ＳＯＣ）等に基づいて演算される。この演算は電力制御装置５１により行われるが、そこからシステム制御装置５７に通信される。
【００４１】
Ｓ１２により、水タンク水位Ｌｗが所定の下限値Ｌｗｌｏｗを超えているかどうか判断する。水タンク水位がＬｗｌｏｗを超えている場合はＳ１４へ進む。
【００４２】
Ｓ１４では、燃料電池の発電出力ＰＷｇを要求出力ＰＷｄ通り発生することを決定する。そして、燃料電池の運転圧力Ｐｆｃを決定するため、Ｓ２０にて水タンク水位Ｌｗに対して、Ｐｆｃの１次目標値Ｐｆｃ１がマップ検索される。
【００４３】
このマップの例を図９に示す。このマップは水タンク水位Ｌｗに応じて運転圧力を変更するマップであり、低水位ほどＰｃｆを上げて、水回収量を増加させる。また、高水位であれば運転圧力を低下し、コンプレッサ２５の負荷を軽減して燃料電池システムの効率を向上する。通常は目標水位Ｌｗｔで水回収収支が釣り合うような圧力Ｐ０に設定されるマップとすることにより、この目標水位近辺で釣り合うことになる。
【００４４】
次に、Ｓ２２にて、熱的に上限となる圧力Ｐｆｃｌｉｍを設定し、Ｓ２０にて決定した１次目標値Ｐｆｃ１に対して上限値を設ける。水回収を行うために運転圧力をむやみに増大することは、それにより燃料電池の発熱を増大させ、ラジエータ放熱の限界以上に発熱すると、燃料電池が許容値以上の温度上昇を招く恐れがある。よって、外気温と運転負荷状況により、ラジエータ放熱限界を超えないように運転上限圧力を設定する。この圧力は図１１のマップに示すように外気温度大ほど低く設定され、また運転負荷大程低く設定される。水を減らさないで定格負荷を発電できる外気温限界（所定の外気温度）はＴｌｉｍとしている（図８参照）。
【００４５】
つまり、Ｔｌｉｍを超える高温時の場合には、負荷によっては水収支がマイナスとなる領域まで運転圧力を落とす高温時制御を行うことで、燃料電池のシステムの外への水蒸気の排気を増加させて温度上昇を防止する。
【００４６】
今度は、Ｓ１２で水タンク水位がＬｗｌｏｗ以下の場合について説明する。この場合Ｓ１６へ移る。
Ｓ１６においては、外気温に対して、水収支がマイナスにならない運転圧力Ｐ０における、出力限界Ｐｗｌｉｍをマップ検索する。このマップの例を図１０に示す。
【００４７】
次いで、Ｓ１８にて、もし要求出力ＰＷｄが出力限界ＰＷｌｉｍを超えていれば、発電出力ＰＷｇをＰＷｌｉｍに制限され、そうでない場合はＰＷｇはＰＷｄとなる。
次のＳ２０以下はＳ１２で水タンク水位がＬｗｌｏｗを超える時と同じである。この時、Ｓ７０でマップ検索される圧力上限値Ｐｆｃｌｉｍは、運転圧力Ｐｆｃ＝Ｐ０（水収支がマイナスにならない運転圧力）の状態で少なくとも熱的に成立する出力まで制限されているため、圧力上限値がＰ０よりも低下することはない。
【００４８】
以上より、水タンク水位が低くない場合は、外気温が高温でも水収支がマイナスとなる領域まで運転圧力を落としてでも高負荷を維持可能であり、この場合、燃料電池内の冷却水が蒸発して燃料電池システムの外に排気され、水タンク水位は徐々に低下するが、燃料電池の温度上昇を防止した上で、外気温が高い状況においても高負荷運転が可能になる。
【００４９】
上記の制御を行うことにより、冷却システムサイズを大きくすることなく、水の枯渇を防止し、可能な限りの出力低下を防止し、また燃料電池が許容以上の高温となることを防止できるのである。
【００５０】
〔第２の実施形態〕
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車１１の構成を示すシステム構成図である。
【００５１】
図４の構成では、エンタルピ交換装置（以下、ＥＲＤと略す）３１が燃料電池空気極吸気側と排気側に設けられている。ＥＲＤ３１は、燃料電池２９の排気の熱と湿度を吸気側に交換する湿度交換型熱交換器であり、排空気２７’はこれを通過することにより排気温度が低下し除湿される。ブロア２１から送り込まれる吸気側の空気２７は、ＥＲＤ３１を通過することにより、吸気温度が上昇し加湿される。このＥＲＤ３１により、排気から持ち出す水蒸気を吸気に回すことが可能になるため、有効に水回収を行うことが可能であり、通常は水が減ることのないような運転を行っている。
【００５２】
燃料電池２９の排空気路のＥＲＤ３１手前には３方弁３３が設けられている。この３方弁３３を切り換えることにより、排空気２７’がＥＲＤ３１をバイパスして直接燃焼器３７に送気されることを可能にしている。バイパスした場合には、エンタルピ交換が行われないため、燃料電池２９からの排空気２７’は高温かつ高湿のまま排出され、燃料電池２９に吸入される空気２７は加湿されず、吸気温度も上昇しない。
【００５３】
このため、排気中の水蒸気の持ち出し量が増大し（燃料電池システムの外への水蒸気の排気が増加し）、水回収量は低下するが、排気温度及び排気湿度が高くなることにより、排気中に捨てられる熱量が増大し、その分だけ純水チャンネルにより燃料電池から除去すべき熱量が減少し、燃料電池の冷却が楽になる。その他の構成は、図１に示した第１の実施形態と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００５４】
図５は、第２の実施形態の動作を説明するフローチャートである。
図５において、まずＳ３０で外気温度Ｔａｔｍ、水タンク水位Ｌｗを検出し、要求出力ＰＷｄを検出する。
次いで、Ｓ３２で、外気温に対し水回収を成立させた上で（ＥＲＤ仕様を前提に）放熱できる出力限界ＰＷｌｉｍを図１０のマップより検索する。
【００５５】
次いでＳ３４により、水タンク水位Ｌｗが、下限値Ｌｗｌｏｗを超えているかどうかを判断する。下限値Ｌｗｌｏｗを超えている場合は、Ｓ３６に進み、そうでない場合はＳ４４に進む。
Ｓ３６では、発電出力を要求通り、ＰＷｇ＝ＰＷｄとし、Ｓ３８へ進む。
Ｓ３８では、外気温ＴａｔｍがＴｌｉｍを超えているかどうかを判断する。Ｔｌｉｍ以下であればＳ４４に進み、そうでない場合、すなわち高温時には高温時制御を行うためにＳ４０に進む。
【００５６】
Ｓ４０では、発電出力ＰＷｇと出力限界ＰＷｌｉｍを比較し、ＰＷｇがＰＷｌｉｍを超えている時、Ｓ４２に進む。そうでない場合はＳ４６に進む。
Ｓ４２ではＥＲＤ３１をバイパスするように３方弁３３が切り換えられる。
【００５７】
これにより、水タンク水位が所定値を超えているときは、気温が高く放熱が厳しい条件下においても、最大出力を確保することが可能になる。
【００５８】
Ｓ３４で、水タンク水位Ｌｗが、Ｌｗｌｏｗ以下の場合、Ｓ４４に進むが、この場合Ｓ４４では、要求出力ＰＷｄと出力限界値ＰＷｌｉｍが比較され、発電出力はそれらの低い方となり、熱的に問題のない出力に制限された発電量とする。そしてＳ４６にて、ＥＲＤ３１を排気が通過するように３方弁３３を制御する。
【００５９】
また、水タンク水位がＬｗｌｏｗを超えていても、Ｓ３８で外気温ＴａｔｍがＴｌｉｍ以下の場合、それとＳ４０で発電出力が熱的な出力限界ＰＷｌｉｍ以下の場合は、いずれもＳ４６に進みＥＲＤ３１をバイパスしない。
【００６０】
これにより、水タンク水位が所定値以下で、かつ外気温が所定値を超える場合においては、水回収を行うことが可能な範囲で出力を必要な分制限することにより、水の枯渇を防止できる。また、外気温が放熱限界以上にならない場合においては、通常通りの水回収を行った上で、最大負荷を確保できる。
【００６１】
また、これによりラジエータの放熱容量を必要最小限に設計することが可能になり、ラジエータの寸法及び重量が小さくなり車両搭載性が大きく向上することとなる。また第１実施形態に比べて、圧力の制御を行う必要がなく、単なる３方弁切換制御なので、制御難易度が低い。つまり、運転圧力の安定性などの問題を発生しにくい。
【００６２】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の構成は第１の実施形態の図１と共通である。第３の実施形態の動作を説明するフローチャートを図６に、制御の一例のタイムチャートを図７に示す。
【００６３】
次に、図６を参照して、第３の実施形態の動作を説明する。
まず、Ｓ５０にて、外気温Ｔａｔｍ、要求出力ＰＷｄを検出する。
次いでＳ５２にて、外気温Ｔａｔｍが水収支がとれる運転圧力Ｐ０で定格出力を発生して放熱できる限界温度のＴｌｉｍを超えるかどうかを判断し、Ｔｌｉｍ以下の時はＳ７０に、Ｔｌｉｍを超える時はＳ５４に進む。
【００６４】
Ｓ７０にてタイマー値Ｔｓを０にリセットし、Ｓ７２では、要求通りの発電量とするため、ＰＷｇ＝ＰＷｄとする。また、運転圧力Ｐｆｃは、水タンク水位Ｌｗに応じた圧力Ｐｆｃ１とする。
【００６５】
Ｓ５２にてＴａｔｍ＞Ｔｌｉｍの場合、すなわち高温時に進むＳ５４以降を説明する。
Ｓ５４では、アクセル開度信号（ＡＰＯ）とＡＰＯの変化率に基づいて運転者のキックダウン操作を検出する電力制御装置５１から通信されるＫＤ信号がＯＮかどうかを判断する。そして、ＫＤ＝ＯＮならば、Ｓ５６に進み、そうでなければＳ６４に進む。ＫＤ＝ＯＦＦの場合はＳ６４において、タイマーＴｓをリセットする。
【００６６】
次いで、Ｓ６６において、外気温に対し水回収の成立する圧力Ｐ０で運転して放熱できる出力限界値ＰＷｌｉｍを図１０のマップより検索する。
次いで、Ｓ６８にて、燃料電池発電出力ＰＷｇは、ＰＷｄとＰＷｌｉｍの小さい方を選択する。そして、運転圧力Ｐｆｃを水タンク水位Ｌｗに応じた圧力Ｐｆｃ１とする。
【００６７】
今度はＫＤ＝ＯＮの場合のＳ５６以降を説明する。
Ｓ５６では、タイマー値Ｔｓに制御周期ｄＴを加算して更新する。
Ｓ５８にて、タイマー値Ｔｓと、リミット値のＴ１とが比較され、いずれか小さい方が選択されてタイマー値Ｔｓにセットされる。すなわちタイマー値Ｔｓは、Ｔ１を超えてもＴ１以上にならないようになっている。
【００６８】
Ｓ６０では、Ｔｓ＝Ｔ１かどうかが判定される。Ｔｓ＝Ｔ１を検出した場合、Ｓ６６に進み、出力を制限し水収支が成立する範囲での出力で運転される。そうでない場合はＳ６２に進む。
【００６９】
Ｓ６２では、燃料電池発電出力ＰＷｇ＝ＰＷｄとして出力制限を行わない。しかし、燃料電池運転圧力ＰｆｃはＰｆｃｌｉｍとすることで水収支が成立する圧力Ｐ０よりも低く制御する。これにより、燃料電池内の水の回収量が低下し、燃料電池システムの外への水蒸気の排気が増えることになり、排気される熱が増大するため、冷却に問題をきたさずに高気温においても最大出力が得られる。
【００７０】
図７は外気温ＴａｔｍがＴｌｉｍ以上の状況下において、アクセルをＯＮし、Ｔ１以上経過してからアクセルを戻した場合のタイムチャートである。アクセル開度信号ＡＰＯが所定以上の変化率で立ち上がった場合、キックダウンと判定してＫＤ信号をＯＮ、Ｔ１時間の間は運転圧力ＰｆｃをＰｆｃ１からＰｆｃｌｉｍまで低下し、かつ必要な出力ＰＷｄを確保し、Ｔ１以上経過した場合はＰｆｃをＰｆｃ１まで戻し、水回収を成立させた上、熱的に問題のないＰＷｌｉｍまで出力を低下している。
【００７１】
上記の制御により、冷却システムのサイズを大型化することなく、外気温が高い状況においても、危険回避等に必要な加速力を得るに必要な燃料電池出力を確保できる。またこの実施形態においては、キックダウン後のＴ１時間（数秒から約１０秒程度）は必ず必要な出力が確保できるので、アクセル踏み込み後、この時間内は運転者の感覚通りの加速をどのような状況においても行うことが出来るという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車の構成を示すシステム構成図である。
【図２】第１の実施形態のシステム制御装置における制御ブロック図である。
【図３】第１の実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車の構成を示すシステム構成図である。
【図５】第２の実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図６】第３の実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図７】第３の実施形態の動作を説明するタイムチャートである。
【図８】水バランス成立圧力時の外気温に対するラジエータ放熱量を示す図である。
【図９】水タンク水位Ｌｗに対する燃料電池運転圧力Ｐｆｃの目標値マップの例を示す図である。
【図１０】低水位時の外気温に対するＰＰ出力上限値を示す図である。
【図１１】通常水位時の外気温に対する負荷別の圧力上限値マップの例を示す図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池自動車
１３  改質器
１５  燃料タンク
１７  メタノール
１９  水タンク
２３  改質ガス
２５  コンプレッサ
２７  空気
２９  燃料電池（スタック）
３５  中間熱交換器
３７  燃焼器
４１  ラジエータ
４５  ２次電池
４７  モータ
４９  電力調整器
５１  電力制御装置
５３  アクセルペダル
５５  アクセルポジションセンサ
５７  システム制御装置
５９，６１  圧力センサ
６３，６５  圧力調整弁
６９  外気温センサ
７１  水位センサ
７３  純水チャンネル
７５  ＬＬＣチャンネル
７７  ギア
７９  タイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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