(57)【要約】【課題】  低温環境下でもシステムを円滑に起動することを課題とする。【解決手段】  空気供給装置６と空気調圧弁７とで構成される昇温手段で昇温される空気の目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、燃料電池システムの起動時に、昇温手段で消費される電力、補機で消費される電力、バッテリ１１から供給可能な電力、ならびに燃料電池１の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて、昇温手段が動作できる電力があるか否かを判別し、電力が不足している場合には燃料電池１で発電して得られた電力でバッテリ１１を充電し、電力を確保した後システムを起動するように構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムを起動する際に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、
前記昇温手段の運転に必要な電力が得られるか否かを判断し、電力が不足すると推定される場合には、空気不足の状態で前記燃料電池を発電させて所定の電力を前記燃料電池から引き出し、引き出した電力で前記二次電池を充電し、前記昇温手段の運転に必要な電力を賄えるまで前記二次電池を充電した後システムを起動する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記昇温手段で前記燃料電池に供給される空気を昇温するために、前記昇温手段で消費される電力量の推定値と、前記昇温手段で前記燃料電池に供給される空気を昇温するために、前記補機で消費される電力量の推定値と、現在前記二次電池から供給可能な電力量と、前記燃料電池の発電上限電力量との電力収支が所定値以下となる場合には、前記昇温手段で昇温して起動するのに必要な消費電力が不足していると判断する
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、
前記二次電池を充電するために行われる発電で得られた電圧の極性が、前記燃料電池に空気が十分に供給された状態で発電が行われる通常発電時の極性とは逆で、電圧値の絶対値が所定値よりも大きい場合には、発電を停止して、前記二次電池の充電を停止する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、
昇温手段で空気を昇温するのに必要な電力は不足しているが、前記二次電池に所定量以上の蓄電量がある場合には、前記燃料電池に燃料ガスを供給する際に、所定の周期で所定量の空気を断続的に供給して発電する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２００２−３１３３８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
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、そのための電力が必要となるが、発電開始当初の発電が十分でない状態では、燃料電池からの電力の供給が十分に期待できないため、システムに備えられたバッテリ（二次電池）からの給電に多くを頼っていた。しかし、バッテリの蓄電量が十分でない場合には、空気ガスを昇温するのに十分な電力を供給することが困難となり、空気ガスが十分に昇温できず、発電ができなくなるといった不具合を招くおそれがあった。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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を化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムを起動する際に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、前記昇温手段の運転に必要な電力が得られるか否かを判断し、電力が不足すると推定される場合には、空気不足の状態で前記燃料電池を発電させて所定の電力を前記燃料電池から引き出し、引き出した電力で前記二次電池を充電し、前記昇温手段の運転に必要な電力を賄えるまで前記二次電池を充電した後システムを起動する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、昇温手段で空気を昇温して供給する際に、昇温に必要な電力が不足する場合には、空気不足で燃料電池を発電して得られる電力で二次電池を充電して電力を確保した後、空気を昇温してシステムを起動するようにしたので、電力不足により空気を昇温することはできなくなることを回避することができる。これにより、低温環境下においても、昇温された空気が燃料電池に供給され、発電により生成された水分が凍結して発電ができなくなることが防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【実施例１】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
一方、燃料電池１には、空気供給装置６から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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。電力変換装置９は、燃料電池１に供給される空気が不足した状態での発電において、空気が十分に供給された通常の発電時に得られる電圧の極性とは逆の極性の電圧が得られた場合には、得られた電圧の極性を反転し通常発電時に得られる電圧の極性と同じ極性に変換してバッテリ１１に供給する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
次に、図２に示すフローチャートを参照して、実施例１に係る低温起動時の起動手順を説明する。
【００２０】
図２において、先ずシステムを低温モードで起動するか否かを判断する（ステップＳ２００）。実施例１では、温度センサ１７で計測された空気供給装置６の吸入空気温度と、温度センサ１５で計測された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、もしくは通常モードで起動するかを判断する。この判断処理は、図３に示すフローチャートにしたがって実行される。
【００２１】
図３において、吸入空気温度＜閾値Ｔｈ１、あるいは燃料電池出口冷却水温度＜閾値Ｔｈ２であるか否かを判別し（ステップＳ３００）、これらの要件が満たされればシステムを低温モードで起動するための処理を実行する一方、満たされない場合には、通常の起動が可能であると判断して、通常起動の処理に移行する（ステップＳ２０１）。ここで、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２は、実験や机上検討等により予め設定される変数であり、本実施例１では例えばＴｈ１＝０℃、Ｔｈ２＝０℃とした。
【００２２】
図２に戻って、低温モードでシステムを起動する場合には、空気供給装置６のコンプレッサと空気調圧弁７からなる昇温手段で燃料電池入口空気温度を昇温して起動する。昇温手段では、燃料電池１に供給される空気の流量と圧力を調整することで空気を昇温する。そこで、燃料電池入口空気の目標温度を設定する（ステップＳ２０２）。目標温度は、実験や机上検討等により予め設定される変数であり、本実施例１では燃料電池１内で氷結のおそれがないと分かっている例えば０℃とした。
【００２３】
次に、温度センサ１７で計測された現在の空気の吸入温度から目標温度まで昇温する目標昇温時間（初期値）を設定する（ステップＳ２０３）。ここでは、目標昇温時間の初期値を設定するが、後述する電力収支に応じて目標昇温時間は変更される。本実施例１では初期値を例えば１０秒程度に設定した。
【００２４】
図２に戻って、次に、目標昇温時間内に空気を目標温度以上に昇温するための昇温手段の運転条件となる空気の目標流量と目標圧力を求める（ステップＳ２０４）。目標流量ならびに目標圧力を求めるにあたって、先ず目標昇温時間ならびに空気流量をパラメータとして空気圧力と昇温手段の消費電力との関係を表す、例えば図４に示すようなマップ関数を予め実験等を行って作成し、それをコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ関数では、目標昇温温度を実現する空気圧力と空気流量の組み合わせは複数存在するが、ここではその中から消費電力が最も少なくなる組み合わせを選択して、目標空気流量と目標空気圧力を求めている。目標空気流量と目標空気圧力が求められると、求めた目標空気流量と目標空気圧力を実現するための、コンプレッサの回転数ならびに空気調圧弁７の弁開度をコントロールユニットで算出する。この算出は、予め実験等により回転数と弁開度に対する空気圧力と空気流量との関係を示すデータを取得し、このデータに基づいて行われる。
【００２５】
次に、図２に戻って、燃料電池入口空気温度の変化プロファイルを推定する（ステップＳ２０５）。燃料電池入口温度の変化プロファイルは、予め行われた実験や机上検討等で得られた、空気圧力、空気流量と空気温度との関係を示すデータに基づいて、先のステップＳ２０４で設定した昇温手段の運転条件（目標空気圧力、目標空気圧力）と、現在の燃料電池入口空気温度から目標温度まで昇温する温度上昇幅に応じて推定する。本実施例では、燃料電池入口温度の変化プロファイルは例えば図５に示すように時系列に求めた。
【００２６】
次に、図２に戻って、先のステップＳ２０５で推定した温度の変化プロファイルに基づいて、燃料電池発電上限値を設定する。発電上限値は予め行われた実験で得られた燃料電池入口空気温度と発電上限値との関係にしたがって求める。発電上限値が求められると、目標昇温時間までに発電する燃料電池発電上限電力量を求める（ステップＳ２０６）。発電上限電力量は、図５に示すように、発電上限値と時間との積で算出する。本実施例では電力量の単位はＷｈとした。
【００２７】
次に、図２に戻って、昇温手段で消費される電力量（電力×時間）を推定する（ステップＳ２０７）。この電力量は、先の図４に示すマップ関数を用いて、目標昇温時間内で消費する電力量を求めるとし、電力と目標昇温時間との積で求める。続いて、昇温手段以外の、水素循環ポンプ５や冷却水ポンプ８、各種弁等の補機で消費される電力量を推定する（ステップＳ２０８）。ここでは、予め実験等を行って得た電力量データに基づいて推定し、目標昇温時間内で消費する電力量を求めるとし、電力量は電力と目標昇温時間との積で求める。
【００２８】
次に、バッテリ１１が供給可能な電力量（電力×時間）を推定する（ステップＳ２０９）。バッテリ１１の供給可能な電力量を推定するにあたって、先ずバッテリ１１の温度をパラメータとして前述したバッテリ１１のＳＯＣと供給可能な電力量との関係を表す、例えば図６に示すようなマップ関数を予め実験等を行って作成し、それをコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。なお、バッテリ１１の温度は、直接計測することは困難であるため、本実施例ではバッテリ１１の近傍に温度センサ２４を取り付けて計測するようにした。したがって、温度センサ２４で計測されたバッテリ温度とバッテリコントローラ１２で測定されたバッテリ１１のＳＯＣとに基づいて、図６に示すマップ関数から供給可能なバッテリ電力量を推定する。
【００２９】
次に、図７に示すように、このシステムの起動時における電力量の収支を計算し、計算する電力量は目標昇温時間内の電力量とした（ステップＳ２１０）。ここで、
Ｐ１：ステップＳ２０９で求めたバッテリ１１から供給可能な電力量
Ｐ２：ステップＳ２０６で決定した燃料電池発電上限電力量
Ｐ３：ステップＳ２０７で求めた昇温手段で消費される電力量
Ｐ４：ステップＳ２０８で求めた昇温手段以外の補機で消費される電力量
とすると、電力量の収支Ｐは、次式に基づいて計算する。
【００３０】
（数１）
Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２−Ｐ３−Ｐ４
続いて、計算された電力量収支Ｐに基づいて、発電によりバッテリ１１を充電するか否かを判断する（ステップＳ２１１）。この判断は、図７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７において、先ず電量力Ｐが、Ｐ＞０であるか否かを判別する（ステップＳ７００）。判別の結果、Ｐ＞０である場合には、システムの起動に必要は電力が足りると判断して、バッテリ充電発電フラグに０代入し（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＲＧＥ＝０）（ステップＳ７０１）、バッテリ１１の充電を行わずに低温モードでシステムの起動を開始する処理に進む（ステップＳ７０２，ステップＳ２１２）。
【００３１】
一方、Ｐ＞０でない場合には、システムの起動に必要な電力が足りないと判断し、バッテリ充電発電フラグに１を代入する（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＲＧＥ＝１）（ステップＳ７０３）。続いて、電力量の収支Ｐ≧０となるようなバッテリ目標充電電力量を計算し、この電力量をバッテリ１１のＳＯＣに換算して閾値Ｔｈ３として設定する（ステップＳ７０４）。この閾値Ｔｈ３は、バッテリ１１の充電が完了したか否かを判断する際に参照される。バッテリ目標充電電力量は、バッテリ１１の現在のＳＯＣの値に基づいて算出される。閾値Ｔｈ３が計算された後、システムを起動して燃料電池１で発電を行い、この発電で得られた電力でバッテリ１１の充電を開始する（ステップＳ７０５）。
【００３２】
次に、図２に戻って、システムを起動した後、燃料電池１に水素を供給するとともに、極めて少量の空気もしくはまったく空気を供給しない状態で発電を開始する（ステップＳ２１３）。以下の説明では、まったく空気を供給しないものとしたが、いずれにしても空気不足の状態で発電を開始する。水素は水素圧力レギュレータ３を介して燃料電池１に供給される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供給される。システムの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。本実施例では、水素は通常の起動時と同じ流量流すようにした。なお、低温時には発電反応の鈍いことを考慮して大目に流すようにしてもよい。
【００３３】
このように、空気不足による発電で得られた所定の発電電流を燃料電池１から取り出し、取り出された電力を電力変換装置９を介してバッテリ１１に供給してバッテリ１１の充電を開始する。取り出す発電電流は予め行った実験で適当な値を見出して決める。
【００３４】
空気不足の状態での発電では、電圧の極性は空気が十分に供給されている通常時の極性とは反転しているが、水素が十分供給されている状態では燃料電池１は著しい劣化には至らない。以下に示すように、燃料電池１の水素が供給されるアノード極では、通常と同じようにプロトンと電子を作り出す反応が起きるが、カソード極では酸素がないためプロトンと電子が結合して水素に戻る、アノード極とは逆の反応が起きる。
【００３５】
（化１）
アノード極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード極：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
このように、カソード極で起きる反応は空気が十分に供給されている通常の発電とは異なるが、外部の負荷、ここでは電力変換装置９を通して電子の移動があるため電流を流すことができる。
【００３６】
なお、本実施例では空気は供給しないようにしたが、バッテリ１１のＳＯＣが所定値以上（起動には不足であるが、空気供給装置６のコンプレッサを駆動できる程度はある）である場合には、空気は極めて少量供給するようにしてもよい。この場合には、適当な周期で空気の供給と停止を断続的に繰り返すようすることで、燃料電池の発熱を促進することができる。空気の供給／停止の周期は実験によって得られた適当な値に設定する。
【００３７】
次に、バッテリ１１の目標充電電力量がバッテリ１１に充電されてバッテリ１１の充電が完了したか否かを判別し、発電を継続するか否かを判断する（ステップＳ２１４）。この判断は、図８のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。
【００３８】
バッテリ１１の充電のために行われているの発電は空気不足の状態なので、発電により得られた電圧の極性は通常時に対して反転しているため負値を示す。一方、水素不足の場合にも同様に電圧の極性が反転して負値を示す。水素不足の場合には、燃料電池１が著しい劣化に至るので発電を停止する必要がある。空気不足の場合と水素不足の場合では、電圧の極性が同じとなるが電圧値が異なり、水素不足時の電圧の絶対値＞空気不足時の電圧の絶対値となる（水素不足時のほうが負の方向に大きい）。
【００３９】
本実施例では、発電で得られた燃料電池１の電圧が、所定値（Ｔｈ４）が例えば−０．２Ｖ／セル程度よりも小さい（負の方向に大きい）電圧となった場合には、水素不足と判断し、充電終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＦＩＮＩＳＨ）に３を代入し（ステップＳ８０１）、システムの起動を停止する（ステップＳ８０２）。
【００４０】
一方、発電電圧が所定値（Ｔｈ４）以上である場合には、バッテリ１１から供給可能な電力量を表すバッテリ１１のＳＯＣと先のステップＳ７０４で算出した閾値Ｔｈ３と比較し、バッテリ１１に目標充電電力量が充電できたか否かを判別する（ステップＳ８０２）。バッテリ１１から供給可能な電力量は、図６に示すマップ関数に基づいて、現在のバッテリ１１の温度とＳＯＣとから求める。判別の結果、バッテリ１１から供給可能な電力量が目標充電電力量よりも大きい場合には、バッテリ１１に十分な電力が充電できたとものと判断し、充電終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＦＩＮＩＳＨ）に１を代入し、バッテリ１１の充電を完了する（ステップＳ８０３）。判別の結果、バッテリ１１から供給可能な電力量が目標充電電力量よりも小さい場合には、バッテリ１１に十分な電力がまだ充電されていなものと判断し、充電終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＦＩＮＩＳＨ）に０を代入し、発電を継続してバッテリ１１の充電を続ける（ステップＳ８０４）。
【００４１】
バッテリ１１の充電が完了した後、低温起動モードでシステムの起動を開始する。すなわち、空気供給装置６のコンプレッサと空気調圧弁７は、先のステップＳ２０４で求められた目標空気圧力ならびに目標空気流量とから算出された回転数と弁開度に設定され、この状態で圧縮されて昇温された空気が燃料電池１に供給されて発電が開始される。
【００４２】
以上説明したように、上記実施形態においては、システムの低温起動時に、昇温手段により燃料電池１に供給される空気を昇温することで、発電時に燃料電池内で生成水が凍結するのを防止して、燃料電池の発電を円滑に行うことができる。
【００４３】
システムを起動して昇温手段を動作させてのに必要な電力が不足している場合には、空気不足の状態で燃料電池を発電し、その発電で得られた電力でバッテリ１１を充電し、昇温手段を動作させるのに必要な電力を確保することで、起動時に電力不足となることを防止することができる。
【００４４】
また、バッテリ１１を充電するための発電では、空気を供給しない空気不足の状態で発電するようにしたので、燃料電池のカソード極に生じる生成水が冷たい空気で凍結するのを防止することができる。また、少量の空気を供給する場合には、空気不足の状態で効率の悪い発電によって燃料電池の発熱も多くなり、暖機を促進することができる。
【００４５】
昇温手段で消費する電力量とバッテリから供給可能な電力量と燃料電池発電電力量の電力量収支を計算することで、昇温手段をどうさせるのに必要な電力が不足しているか否かを確実に判断することができる。
【００４６】
バッテリ１１を充電するために行われる充電発電では、燃料電池に空気を供給しない、もしくは少量の空気を供給する空気不足の状態であるため、発電により得られる電圧の極性は通常の発電時の場合とは逆に反転する。同様に、水素不足の状態で発電する場合であっても電圧の極性は反転する。空気不足による発電では燃料電池が著しい劣化に及ぶが、水素不足による発電では著しい劣化に至るので、このような水素不足での発電を避ける必要がある。
【００４７】
そこで、空気不足の時と水素不足の時は極性が反転した電圧の電圧値に違いがあり、水素不足の場合には空気不足に比べて負の方向に大きな電圧となる。したがって、この関係に基づいて発電により得られた電圧の電圧値を判別することで、水素不足もしくは空気不足による発電かを識別し、水素不足の場合にはシステムの運転を停止して、燃料電池の劣化を回避することができる。
【００４８】
空気不足の状態で発電を継続しているとクロスオーバによってアノード極からカソード極へ移動した水素がカソード極に滞留するようになる。このような状態の時に適当な空気を供給するようにしたので、カソード極内で水素と酸素の反応熱によってカソード極を暖めることが可能となる。
【００４９】
そして、カソード極内の反応により水素を消費し終わっても空気を供給し続けると、昇温されていない空気によって燃料電池１が冷やされてしまうので、カソード極内の水素を消費し終わったら空気の供給を停止することで、カソード極の反応で得られた反応熱により燃料電池１を昇温をさせることが可能となり、燃料電池の暖機を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】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２】実施例１に係るシステムの起動手順を示すフローチャートである。
【図３】低温モードでシステムを起動するか否かの判断手順を示すフローチャートである。
【図４】目標昇温時間と目標空気流量、目標空気圧力ならびに消費電力との関係を表すマップ関数を示す図である。
【図５】目標空気流量、目標空気圧力ならびに昇温幅と、発電上限電力量との関係表す図である。
【図６】バッテリ１１で供給可能な電力量を推定するマップ関数を示す図である。
【図７】電力量収支に基づいてバッテリを充電するための充電発電を行うか否かを判断する手順を示すフローチャートである。
【図８】バッテリの充電発電を継続するか否かを判別する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
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…圧力センサ
１４，１５，１７，１９，２４…温度センサ
１６，２１，２２…電圧センサ
１８…圧力センサ
２０，２３…電流センサ
【図１】
2006164780.tif 000003
【図２】
2006164780.tif 000004
【図３】
2006164780.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006164780.tif 000007
【図６】
2006164780.tif 000008
【図７】
2006164780.tif 000009
【図８】
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