(57)【要約】【課題】  低温環境下での燃料電池の温度管理を改善し、システムの出力低下を抑制することを課題とする。【解決手段】  燃料電池１の出口の冷却水の温度に基づいて、コントロールユニットの制御の下に冷却水の供給／停止を制御し、燃料電池１に供給される反応ガスの温度が低くなるほど、かつ燃料電池１の発電量が少なくなるほど、冷却水の供給を停止する、燃料電池１の出口の冷却水の温度を高く設定して構成される。【選択図】  図１
2006164605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却水を前記燃料電池に供給する冷却水供給手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を計測する第１の温度センサと、
前記第１の温度センサで計測された前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度に基づいて、冷却水の供給／停止を制御し、前記燃料電池に供給される反応ガスの温度が低くなるほど、冷却水の供給を停止する、前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を高く設定し、かつ前記燃料電池の発電量が少なくなるほど、冷却水の供給を停止する、前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を高く設定する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムに電力を供給する二次電池と、
前記二次電池のＳＯＣ（充電状態）を測定するバッテリコントローラとを備え、
前記制御手段は、
前記バッテリコントローラで測定された前記二次電池のＳＯＣが低くなるほど、冷却水の供給を停止する、前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を高く設定する
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、
冷却水の供給が停止された後、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するための発電を行う場合に、前記バッテリコントローラで測定された前記二次電池のＳＯＣが低くなるほど、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するために行われる発電の発電量を増やす
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記二次電池の温度を計測する第２の温度センサを備え、
前記制御手段は、
冷却水の供給が停止された後、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するための発電を行う場合に、前記第２の温度センサで計測された前記二次電池の温度が低くなるほど、冷却水の供給を停止する、前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を高く設定する
ことを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記二次電池の温度を計測する第２の温度センサを備え、
前記制御手段は、
冷却水の供給が停止された後、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するための発電を行う場合に、前記第２の温度センサで計測された前記二次電池の温度が低くなるほど、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するために行われる発電の発電量を増やす
ことを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、
冷却水の供給が停止された後、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するための発電を行っている時に、燃料電池出力の増加が要求された場合には、要求された時の前記燃料電池の発電量が少ないほど、燃料電池出力増加後の燃料電池出力の増加変化率を小さく設定する
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、
冷却水の供給が停止された後、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するための発電を行っている時に、燃料電池出力の増加が要求された場合には、要求された時の前記燃料電池の発電量が少ないほど、かつ前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するために行われた発電の発電時間が長くなるほど、燃料電池出力増加後の燃料電池出力の増加変化率を小さく設定する
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
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を備え、
前記昇温手段は、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するために行われた発電により得られた電力で運転され、
前記制御手段は、前記昇温手段で昇温された酸化剤ガスの温度が高くなるほど、前記燃料電池の温度を所定の温度に維持するために行われる発電の発電量を少なくする
ことを特徴とする請求項３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、
冷却水の供給を停止した後、前記燃料電池の発電量が所定値以上で、かつ所定値以上のの発電量の発電が所定時間以上継続した場合に、冷却水の供給を再開する
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７及び８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、燃料電池を冷却する冷却水の供給制御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）。この文献には、燃料電池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、燃料電池は水分の凍結が発生しない温度条件になっていることから、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内での水分の凍結を回避しつつ、燃料電池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発明が記載されている。
【０００３】
また、他の文献（特許文献２参照）には、水冷式の電池本体には冷却水を循環させる一次冷却水系とが設けられ、電池冷却水系には冷却水を冷却する熱交換器と、この熱交換器をバイパスするバイパスラインと、熱交換器およびバイパスラインに流れる冷却水の流量を調整する開閉自在な調整弁とが設置され、電池本体の入口側および出口側には入口温度計および出口温度計が配置され、調整弁の制御手段が接続され、制御手段は入口温度計およ出口温度計の測定結果を監視し、このうちの偏差の大きい方の測定結果に基づいて調整弁を制御する発明が記載されている。
【特許文献１】特開２００４−１０３３６７
【特許文献２】特開平９−３２０６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術では、燃料電池を冷却する冷却水の温度が燃料電池温度を代表しているとみなして、冷却水温度に基づいて冷却水流量を調整して燃料電池の温度を維持するようにしていた。
【０００５】
一方、低温環境下において、燃料電池システムが低負荷運転状態になると、燃料電池を冷却水で冷却する必要がないため、燃料電池と冷却水供給源との間の冷却水の循環を停止する。しかし、低温時に冷却水温度が所定値となり冷却水の循環を停止するだけであると、その後発電出力が増加した場合に、低温環境下で冷えた反応ガスが燃料電池に供給されることで燃料電池の温度が低下して発電電圧が低下したり、発電により生成された水分が凍結して発電が困難になるおそれがあった。
【０００６】
また、冷却水の循環を停止した後、冷却水の温度に基づいて燃料電池の温度を管理することが不可能となり、燃料電池の温度を最適な温度に維持することが困難になるといった不具合を招くことになる。
【０００７】
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、低温環境下での燃料電池の温度管理を改善し、システムの出力低下を抑制した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】
【０００８】
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との反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水を前記燃料電池に供給する冷却水供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を計測する第１の温度センサと、前記第１の温度センサで計測された前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度に基づいて、冷却水の供給／停止を制御し、前記燃料電池に供給される反応ガスの温度が低くなるほど、冷却水の供給を停止する、前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を高く設定し、かつ前記燃料電池の発電量が少なくなるほど、冷却水の供給を停止する、前記燃料電池の入口又は出口の冷却水の温度を高く設定する制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、低温環境下での低負荷運転時に、反応ガスの温度が低くなるほど、かつ発電量が少ないほど冷却水の循環を停止する温度を高めに設定することで、将来的に燃料電池の出力増加が要求された場合に、燃料電池温度の低下を抑制することが可能となり、出力の低下を回避することができる。また、燃料電池温度の低下を抑制することで、発電により生成された水分の凍結が防止され、安定して発電を継続することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。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。
【００１６】
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は後述する補正係数を設定するのに参照される。
【００１７】
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の冷却水循環流路入口には、冷却水ポンプ８から燃料電池１に供給される冷却水の温度を計測する温度センサ２５が設けられ、燃料電池１の冷却水循環流路出口には、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、冷却水ポンプ８を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する冷却水の供給／停止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。
【００２１】
次に、図２に示すフローチャートを参照して、実施例１に係る低温環境下での燃料電池の温度管理の制御手順を説明する。
【００２２】
図２において、先ず始めに冷却水の循環を停止する目標温度を設定する（ステップＳ２００）。
【００２３】
この目標温度の設定は、図３のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。先ず、供給空気の温度と供給水素の温度のいずれか低いガスの温度を選択する（ステップＳ３００）。選択した温度に基づいて、図４に示すマップ関数を参照して冷却水の循環を停止する、燃料電池１の出口の冷却水の目標温度を設定する（ステップＳ３０１）。なお、冷却水の循環を停止する目標温度は、燃料電池１の入口の冷却水の温度としてもよい。図４に示すマップ関数は、選択した温度が低いほど冷却水の循環を停止する目標温度が高くなるように変化する関数である。なお、図４に示すマップ関数、ならびに以下で参照する図５、図６、図７、図１０、図１１，図１２、図１４、図１５に示すマップ関数は、予め実験や机上検討に基づいて作成されるものであり、作成されたマップ関数はコントロールユニットの記憶装置に格納されて、設定時に参照される。
【００２４】
次に、現在の燃料電池発電量が閾値Ｔｈ１未満の低負荷であるか否かを判断する（ステップＳ３０２）。判断の結果、発電量が閾値Ｔｈ１より小さくない場合には、後述するステップＳ３０５の処理に進む。一方、発電量が閾値Ｔｈ１よりも小さい低負荷の場合には、図５に示すマップ関数を参照して、冷却水の循環を停止する目標温度に対する補正値α１（α１＞１）を決める（ステップＳ３０３）。図５に示すマップ関数では、発電量が小さい低負荷になるほど補正値α１が大きくなるように設定されている。
【００２５】
なお、上記閾値Ｔｈ１、ならびに以下で参照される閾値Ｔｈ２〜Ｔｈ１０は、実験や机上検討等に基づいて、参照される際に行われる処理動作の内容に応じて予め適宜設定される値である。
【００２６】
続いて、冷却水の循環を停止する目標温度と補正値α１との積を求め、冷却水の循環を停止する目標温度を補正する（ステップＳ３０４）。これにより、補正値α１は１以上の値なので、冷却水の循環を停止する目標温度がさらに高くなるように補正される。
【００２７】
次に、現在のバッテリ１１のＳＯＣが閾値Ｔｈ２より小さいか否かを判断する（ステップＳ３０５）。判断の結果、閾値Ｔｈ２より小さくない場合には、後述するステップＳ３０８に進む一方、閾値Ｔｈ２より小さい場合には、図６に示すマップ関数を参照して、冷却水の循環を停止する目標温度に対する補正値α２（α２≧１）を決める（ステップＳ３０６）。図６に示すマップ関数では、バッテリ１１のＳＯＣが小さくなるほど補正値α２が大きくなるように設定されている。
【００２８】
次に、冷却水の循環を停止する目標温度と補正値α２との積を求め、冷却水の循環を停止する目標温度を補正する（ステップＳ３０７）。これにより、補正値α２は１以上の値なので、冷却水の循環を停止する目標温度がさらに高くなるように補正される。
【００２９】
続いて、現在のバッテリ温度が閾値Ｔｈ３より小さいか否かを判断する（ステップＳ３０８）。判断の結果、閾値Ｔｈ３より大きな場合には目標温度を補正しない一方、閾値Ｔｈ３よりも小さい場合には、図７に示すマップ関数を参照して、冷却水の循環を停止する目標温度に対する補正値α３（α３≧１）を決める（ステップＳ３０９）。
【００３０】
図７に示すマップ関数では、バッテリ温度が小さくなるほど補正値α３が大きくなるように設定されている。バッテリ温度が低いほどバッテリ１１から供給可能な電力量が低下するため、燃料電池１の出力増加時には燃料電池１への発電要求が増える。このため、バッテリ温度が低くなるほど目標温度を高めに補正することで、燃料電池１への発電要求が増えて反応ガスの供給量が増えた時に、温度の低い燃料ガスで燃料電池温度が低下して凍結を引き起こすことを防止するようにしている。
【００３１】
引き続いて、目標温度と補正値α３との積を求め、冷却水の循環を停止する目標温度を補正する（ステップＳ３１０）。これにより、補正値α３は１以上の値なので、冷却水の循環を停止する目標温度がさらに高くなるように補正される。
【００３２】
次に、図２に戻って、冷却水の循環を停止するか否かを判断する（ステップＳ２０１）。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。先ず、燃料電池１の出口冷却水温度が上記目標温度以下であるか否かを判断し（ステップＳ８００）、判断の結果、出口冷却水温度が目標温度以下である場合には冷却水の循環を停止するとともに、燃料電池出口冷却水温度に基づく燃料電池１の温度制御も停止する（ステップＳ８０１）。一方、出口冷却水温度が目標温度以下でない場合には冷却水の循環は継続される。
【００３３】
次に、図２に戻って、燃料電池１のそれまでの温度を維持するための発電量の目標値となる燃料電池温度維持発電量目標値を設定する（ステップＳ２０２）。この設定は、図９のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。
【００３４】
先ず、供給空気温度と供給水素温度とのいずれか低い温度を選択する（ステップＳ９００）。続いて、選択した温度が閾値Ｔｈ４以下であるか否かを判断する（ステップＳ９０１）。判断の結果、閾値Ｔｈ４以上の場合には後述するステップＳ９０３の処理に進む一方、閾値Ｔｈ４以下の低温である場合には、図１０のマップ関数を参照して、燃料電池温度維持発電量目標値の設定を行う（ステップＳ９０２）。本実施例では、まず先に選択したガス温度に基づいて燃料電池温度維持発電量目標値を決めるようにしている。図１０のマップ関数では、ガス温度が高い程燃料電池温度維持発電量目標値が低くなるように設定されている。
【００３５】
燃料電池温度維持発電量目標値は、発電による発熱量と冷えたガスが持ち込む熱量のバランスに基づいて決めるようにしている。これは、実験的に発電量を決めてもよいし、熱量を計算して決めてもよい。水素の比熱、流量、温度と空気の比熱、流量、温度に基づいて燃料電池１に持ち込まれる熱量を計算し、燃料電池のＩ−Ｖ特性から燃料電池の発熱量を計算し、その計算結果に基づいて熱量のバランスを推定して決めるようにしてもよい。本実施例では、上記バランスする推定値に基づいて予め行った実験で得られた発電量とガス温度との図１０に示すような関係を求め、その関係をテーブル値としてコントロールユニットの記憶装置に格納して参照する。
【００３６】
次に、現在のバッテリ１１のＳＯＣが閾値Ｔｈ１０より小さいか否かを判断する（ステップＳ９０３）。判断の結果、閾値Ｔｈ１０以上である場合には後述するステップＳ９０６の処理に進む一方、閾値Ｔｈ１０以下である場合には、図１１のマップ関数を参照して、燃料電池温度維持発電量目標値に対する補正値β２（β２≧１）を決める（ステップＳ９０４）。図１１のマップ関数では、バッテリ１１のＳＯＣが小さくなるほど補正値β２が大きくなるように設定されている。
【００３７】
バッテリ１１のＳＯＣが低いほどバッテリ１１で利用可能な電力量が低下するため、出力増加時に燃料電池１への発電要求が増える。このため、バッテリ１１のＳＯＣが低くなるほど目標温度を高めに補正することで、燃料電池１への発電要求が増えて反応ガスの供給量が増えた時に、温度の低い反応ガスで燃料電池温度が低下して凍結を引き起こすことを防止するようにしている。
【００３８】
続いて、ステップＳ９０２で求めた燃料電池温度維持発電量目標値と補正値β２との積を求め、燃料電池温度維持発電量目標値を補正する（ステップＳ９０５）。これにより、補正値β２は１以上の値なので、燃料電池温度維持発電量目標値がさらに高くなるように補正される。
【００３９】
次に、現在のバッテリ温度が閾値Ｔｈ５より小さいか否かを判断する（ステップＳ９０６）。判断の結果、閾値Ｔｈ５よりも大きな場合には、後述するステップＳ９０９の処理に進む一方、閾値Ｔｈ５よりも小さい場合には、図１２に示すマップ関数を参照して、燃料電池温度維持発電量目標値に対する補正値β１（β１≧１）を決める（ステップＳ９０７）。図１２に示すマップ関数では、バッテリ温度が小さくなるほど補正値β１が大きくなるように設定されている。
【００４０】
バッテリ温度が低いほどバッテリ１１で利用可能な電力量が低下するため、出力増加時に燃料電池１への発電要求が増える。このため、バッテリ温度が低くなるほど目標温度を高めに補正することで、燃料電池１への発電要求が増えて反応ガスの供給量が増えた時に、温度の低い反応ガスで燃料電池温度が低下して凍結を引き起こすことを防止するようにしている。
【００４１】
続いて、ステップＳ９０５で求めた燃料電池温度維持発電量目標値と補正値β１との積を求め、燃料電池温度維持発電量目標値を補正する（ステップＳ９０８）。補正値β１は１以上の値なので、燃料電池温度維持発電量目標値がさらに高くなるように補正する。この補正された燃料電池温度維持発電量目標値となるように燃料電池１で発電が行われて、冷却水の温度による燃料電池１の温度管理が停止した後であっても、燃料電池１の温度が管理維持される。
【００４２】
次に、空気の昇温手段としても機能する空気供給装置６のコンプレッサの運転条件を変更する（ステップＳ９０９）。これは、燃料電池温度維持発電量を目標値とした時に燃料電池１で得られる電力をコンプレッサで消費するためである。まず、運転圧力を高くし、それでも消費しきれない場合には空気の流量を多くして電力を消費する。低温時にはバッテリ１１への充電がほとんどできない場合があるため、これに対応するようにしている。
【００４３】
また、コンプレッサの運転圧力を高くすることで、燃料電池１への供給空気温度が高くなるため、燃料電池１へ冷えた空気が供給されて燃料電池１の凍結を引き起こすことを防止することが可能となる。なお、本実施例では空気の昇温はコンプレッサのみであるため、空気の昇温のみしか行わない。
【００４４】
次に、図２に戻って、出力増加が要求された場合に、燃料電池１の出力増加の変化率を制限する出力増加変化率制限値の設定を行う（ステップＳ２０３）。この設定は、図１３のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。
【００４５】
先ず、出力増加の要求があるか否かを判断する（ステップＳ１３００）。要求されない場合には制限値の設定を行わない一方、要求された場合には、図１４に示すマップ関数を参照して、要求値まで出力増加をしていく際の出力増加の変化率を制限する出力増加変化率制限値λ１（λ１＜１）を求める（ステップＳ１３０１）。図１４のマップ関数では、出力増加要求があるまでの燃料電池温度維持発電量が小さい値であるほど出力増加変化率制限値が小さくなるように設定されている。
【００４６】
次に、出力増加要求があるまでの燃料電池温度維持発電量が閾値Ｔｈ６以下の場合が閾値Ｔｈ７秒以上継続していたか否かを判断する（ステップＳ１３０２）。判断の結果、この判断が成立しない場合は制限値を補正しない一方、成立した場合には、図１５に示すマップ関数を参照して、出力増加変化率制限値に対する補正値λ２（λ２＜１）を決める（ステップＳ１３０３）。図１５に示すマップ関数では、出力増加要求があるまでの燃料電池温度維持発電量が閾値Ｔｈ６以下の場合が閾値Ｔｈ７秒以上継続した時間が長いほど補正値λ２が大きくなるように設定されている。
【００４７】
続いて、設定された出力増加変化率制限値λ１と補正値λ２との積を求め、出力増加変化率制限値を補正する。これにより、補正値λ２は１未満の値なので、出力増加変化率制限値がさらに小さくなるように補正される。この補正された制限値に基づいて、要求値まで燃料電池１の出力が増加される。
【００４８】
次に、図２に戻って、冷却水の循環を再開するか否かを判断する（ステップＳ２０４）。この判断は、図１６のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。先ず、燃料電池の出力が増加された後、発電量が閾値Ｔｈ８以上で、かつこの状態が閾値Ｔｈ９秒以上継続したか否かを判断する（ステップＳ１６００）。判断の結果、判断が成立しなかった場合には、冷却水の循環は再開しない一方、判断が成立した場合には、冷却水の循環を再開し、冷却水温度に基づいて燃料電池１の温度制御を再開する（ステップＳ１６０１）。
【００４９】
このように、上記実施例では、低温環境下での低負荷運転時に、将来的に燃料電池１の発電出力の増加が要求された場合に、冷えた反応ガスが燃料電池１に導入されて過渡的に燃料電池１の温度が低下することを予測し、最初に設定した、冷却水の循環を停止する目標温度を補正して高めに設定することで、燃料電池温度の低下を抑制することが可能となり、発電出力の低下を回避することができる。また、燃料電池温度の低下を抑制することで、発電により生成された水分の凍結が防止され、安定して発電を継続することができる。
【００５０】
出力の増加要求があった場合に、バッテリ１１のＳＯＣが低いほどバッテリアシスト（バッテリからの電力供給）が少なくなり、その分燃料電池１の発電量が増えることになる。燃料電池１の発電量が増えると燃料電池１への冷えた反応ガスの供給流量が増えて、燃料電池温度が低下する。このように、反応ガスの流量が増えて過渡的に燃料電池温度が低下することを予測し、最初に設定した、冷却水の循環を停止する目標温度をバッテリ１１のＳＯＣに基づいて補正して高めに設定することで、燃料電池温度の低下を抑制することが可能となり、発電出力の低下を回避することができる。また、燃料電池温度の低下を抑制することで、発電により生成された水分の凍結が防止され、安定して発電を継続することができる。
【００５１】
上述したと同様の理由によりバッテリ１１のＳＯＣが低くなるほど発電量が増えて燃料電池温度が低下するので、バッテリ１１のＳＯＣが低くなるほど燃料電池温度維持発電量を増やすことで、上記と同様の効果を得ることができる。また、上述したと同様の理由によりバッテリ温度が低くなるほど発電量が増えて燃料電池温度が低下するので、バッテリ温度が低くなるほど燃料電池温度維持発電量を増やすことで、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
燃料電池温度維持発電量が少ないほど燃料電池温度は低くなっているため、将来的な出力増加時に出力が取り出せず電圧低下を引き起こす場合が予測されるので、出力増加要求後の燃料電池１の出力増加変化率を小さくすることで、発電出力の低下を防止することができる。
【００５３】
燃料電池温度維持発電量が少なく、かつこの状態にあった時間が長いほど燃料電池温度は低くなっているため、将来的な出力増加時に出力が取り出せず電圧低下を引き起こす場合が予測されるので、出力増加要求後の燃料電池１の出力増加変化率を小さくすることで、発電出力の低下を防止することができる。
【００５４】
燃料電池１の温度を維持するために行われる発電で得られた電力は、低温時にはバッテリ１１に蓄電することができない場合があるが、その場合には、得られた電力を昇温手段の空気供給装置６で消費することで、燃料電池１に供給される空気の温度を昇温することが可能となり、燃料電池温度の低下を防止することができる。さらに、空気の温度が高いほど、燃料電池温度維持発電量を減らすことができるので、燃料を節約することができる。
【００５５】
発電による発熱量と冷えた反応ガスが燃料電池１内に持ち込む熱量とのバランスに基づいて燃料電池温度維持発電量を決めることで、冷却水の循環を停止して燃料電池１の温度計測ができない状態であっても適当な発電量を維持することが可能となり、燃料電池温度を適切な温度に維持することができる。
【００５６】
出力の増加要求に応じて出力を増加した後、所定値以上の発電量の発電が所定時間継続された場合には、停止されていた冷却水の循環を再開し、上記発電量と継続時間を適切に設定することで、冷却水の循環を再開するタイミングの遅れを防止することができる。これにより、燃料電池温度が高くなりすぎる状態を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【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】本発明の実施例１に係る燃料電池の温度管理の主手順を示すフローチャートである。
【図３】冷却水を停止する目標温度を設定する手順を示すフローチャートである。
【図４】目標温度の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図５】補正係数α１の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図６】補正係数α２の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図７】補正係数α３の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図８】冷却水循環の停止を判断する手順を示すフローチャートである。
【図９】燃料電池温度維持発電量目標値を設定する手順を示すフローチャートである。
【図１０】燃料電池温度維持発電量目標値の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図１１】補正係数β２の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図１２】補正係数β１の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図１３】出力増加変化率制限値を設定する手順を示すフローチャートである。
【図１４】出力増加変化率制限値の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図１５】補正係数λ２の設定に用いるマップ関数を示す図である。
【図１６】冷却水の循環を再開する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
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
１４，１５，１７，１９，２４，２５…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】
2006164605.tif 000003
【図２】
2006164605.tif 000004
【図３】
2006164605.tif 000005
【図４】
2006164605.tif 000006
【図５】
2006164605.tif 000007
【図６】
2006164605.tif 000008
【図７】
2006164605.tif 000009
【図８】
2006164605.tif 000010
【図９】
2006164605.tif 000011
【図１０】
2006164605.tif 000012
【図１１】
2006164605.tif 000013
【図１２】
2006164605.tif 000014
【図１３】
2006164605.tif 000015
【図１４】
2006164605.tif 000016
【図１５】
2006164605.tif 000017
【図１６】
2006164605.tif 000018