(57)【要約】【課題】  外部電源装置や大容量の蓄電装置を備えることなく、氷点下の環境で容易に起動可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池スタック８は、図外の燃料供給装置及び酸化剤供給装置から燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック８には、燃料電池純水経路９が設けられ、燃料ガス、酸化剤ガス、或いは固体高分子電解質を加湿可能となっている。燃料電池システムの冷却系は、冷却液の熱を系外へ放出する放熱器２と、放熱器２で放熱された冷却液を圧送する冷却ポンプ３と、圧送された冷却液で冷却される内燃機関４と、内燃機関４を冷却した冷却液が導入され純水と熱交換する熱交換器７を備える。熱交換器７は、純水用放熱器６の内部を通過する冷却液により加熱され、凍結した純水を解凍可能となっている。【選択図】    図１
2006107879.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電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
内燃機関と、
該内燃機関及び前記燃料電池スタックに冷却液を循環させる冷却液循環装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの起動時に、前記内燃機関の廃熱により前記燃料電池スタックを暖機することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却液循環装置は、燃料電池スタック内部に純水を循環させる純水循環装置と、前記冷却液と前記純水とを熱交換させる熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックまたは前記熱交換器に流入する冷却液を比較的高温の冷却液とするか比較的低温の冷却液とするかを切り替える冷却液流路切替手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記内燃機関の廃熱で前記燃料電池スタックを暖機可能であると共に、該内燃機関の動力により補機を駆動することができることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記補機は、前記内燃機関の動力により駆動される冷媒コンプレッサを備えた空気調和装置であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記補機は、前記内燃機関の動力により駆動される発電機であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
外気温度に基づいて、前記発電機の発電効率と前記燃料電池の発電効率とを比較し、前記発電機の発電効率が燃料電池スタックの発電効率より高ければ、前記発電機を優先して電力供給させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
負荷装置の要求電力が燃料電池スタックの発電容量を上回った場合に、前記冷却液循環装置の能力に余裕があれば、前記内燃機関により前記発電機を駆動して発電を行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システムを車両駆動用モータの電源としたことを特徴とする燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温起動性を改良した燃料電池システム及び燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤状態に維持しないと、良好な水素イオン導電性を発揮しない。このため、燃料電池スタックに供給する反応ガスを加湿したり、燃料電池スタック内部に設けた純水流路から反応ガスまたは固体高分子電解質に加湿することが行われている。
【０００４】
しかしながら、燃料電池スタックの発電を停止した状態で燃料電池車両を氷点以下に長時間放置すると、燃料電池スタック内において純水が凍結し、固体高分子電解質膜の水素イオン導電性が極端に低下し、発電が不可能になる。このような状態の燃料電池スタックを起動するには、解凍が不可欠となり、例えば、車両に搭載した大容量の蓄電装置や外部電源から電気ヒータに通電して燃料電池スタックを解凍していた。
【０００５】
ところで、モータ及び内燃機関を動力源としたハイブリッド車両の電源に、燃料電池を用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１、２）。この技術は、車両状態に応じて２つの動力源を適宜切り替えて車両を駆動していた。これらのハイブリッド車両は、いずれの動力源でも車両駆動を可能とするために、車両駆動機構が複雑化、大型化していた。このため、車両駆動機構が占有する空間が大きくなり、車室や荷台に利用可能な空間が減少するとともに、車両の重量が嵩み、車両の加速性能や運動性能の低下と燃費性能の低下という欠点があった。
【０００６】
また、燃料電池と内燃機関とを搭載した車両において、燃料電池と内燃機関との暖機状態に応じて車内暖房用の熱源を切り換える技術が特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開２００１−０７８３１１号公報（第７頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−２３３０４４号公報（第７頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の技術は、氷点下における燃料電池スタックの起動において、純水の解凍について考慮されてなく、このままでは低温放置後の燃料電池スタックの起動が困難であるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、本発明は、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と、内燃機関と、該内燃機関及び前記燃料電池スタックに冷却液を循環させる冷却液循環装置とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックの起動時に、前記内燃機関の廃熱により前記燃料電池スタックを暖機することを要旨とする燃料電池システムである。
【０００９】
また本発明は、上記燃料電池システムを車両駆動用モータの電源としたことを要旨とする燃料電池車両である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、低温環境下の起動において、まず内燃機関を起動し、内燃機関の廃熱で燃料電池スタックを暖機することができる。このため、燃料電池スタック暖機用エネルギーを供給するための大容量の蓄電装置を必要とせず、小型軽量な燃料電池システムを提供することができるという効果がある。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック暖機用の電力を供給する外部電源という制約から逃れ、任意の場所に設置可能な燃料電池システムを提供することができるという効果がある。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池車両によれば、低温環境下の起動において、まず内燃機関を起動し、内燃機関の廃熱で燃料電池スタックを暖機することができる。このため、燃料電池スタック暖機用エネルギーを供給するための大容量の蓄電装置を必要とせず、車両スペースを有効に利用できる燃料電池車両を提供することができるという効果がある。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池車両によれば、燃料電池スタック暖機用の電力を供給する外部電源という制約から逃れ、任意の場所に駐車可能な燃料電池車両を提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。以下に説明する燃料電池システムは、特に燃料電池車両の車両駆動用モータの電源として好適なものである。
【実施例１】
【００１５】
次に、図１乃至図３を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する。図１は、実施例１の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。図２は、燃料電池システムのシステム制御ユニットの制御ブロック図である。図３は、システム制御ユニットにおける制御フローチャートである。
【００１６】
図１において、燃料電池システム１は、冷却液の熱を系外へ放熱する放熱器２と、冷却液を循環させるための冷却ポンプ３と、内燃機関４と、冷却液を循環させるための冷却液配管５と、冷却液から燃料電池スタック純水を昇温させる純水用放熱器６と、純水用放熱器６を含む熱交換器７と、図外の燃料ガス供給装置及び酸化剤ガス供給装置から燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電を行なう燃料電池スタック８と、燃料電池スタック８内の純水経路９と、純水経路９の純水流量検出手段である純水流量計１０と、発電にて生成され不要になった純水を排出する経路である排出経路１１と、各部品とシステム制御ユニット等を繋ぎ信号の伝達を行なうための制御用配線１２と、燃料電池システム全体の制御を行なうシステム制御ユニット１３と、を備えている。
【００１７】
内燃機関４は、例えば４サイクルの３気筒エンジンであって、例えば、燃料電池スタック用の水素ガスや、燃料改質型燃料電池システムの場合には、原燃料であるガソリンやアルコールを燃料とするものが好ましい。尚、内燃機関４には、図示しないスタータ装置、吸気フィルタ、点火装置、潤滑装置、排気浄化装置、消音装置等が補機として備えられている。
【００１８】
燃料電池スタック８と熱交換器７には、燃料電池スタック８の温度調整及び加湿のために、燃料電池純水流路９が設けられ、図示しない純水ポンプにより燃料電池スタック８と熱交換器７との間で純水を循環させることができるようになっている。この燃料電池純水経路９には、純水の流量を検出する純水流量計１０が設けられ、その検出値は、制御用配線１２により、システム制御ユニット１３へ入力されている。
【００１９】
本実施例において、冷却液の循環経路は、冷却ポンプ３，内燃機関４、純水用放熱器６，放熱器（ラジエータ）２、冷却ポンプ３という経路となっている。これにより、内燃機関４と燃料電池スタック８とが冷却装置を共有するとともに、内燃機関４の運転時に、内燃機関４で暖められた冷却液が純水用放熱器６を介して純水を加熱することができ、内燃機関４の廃熱で燃料電池スタック８を暖機することができるようになっている。
【００２０】
冷却液は、氷点下でも凍結しない冷却液であり、たとえば、精製水にエチレングリコール等の凍結温度低下剤を添加したものである。
【００２１】
システム制御ユニット１３は、燃料電池システム１の全体を制御すると共に、燃料電池スタック８の起動時に、必要があれば内燃機関４を始動して、その廃熱により燃料電池スタック８を暖機する制御を行う。
【００２２】
尚、特に限定されないが、本実施例では、システム制御ユニット１３は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００２３】
次に、上記構成の燃料電池システムの作用を説明する。先ず燃料電池システムの通常運転時には、内燃機関４は運転を停止している。冷却ポンプ３は、冷却液を内燃機関４へ圧送する。内燃機関４は運転停止しているので、冷却液は昇温されることなく、内燃機関入口の温度とほぼ同じ温度で内燃機関出口から排出され、熱交換器７に入る。
【００２４】
熱交換器７では、冷却液は燃料電池スタック８が運転することによる熱を奪うことで昇温して、昇温された状態で放熱器２に戻り、放熱器２で大気と熱交換されて冷却液は冷却ポンプ３に戻ってくる。以上の冷却液サイクルを繰り返すことで連続的に燃料電池スタック８の運転を続ける。
【００２５】
次に、燃料電池システムの起動時の制御を説明する。まず最初に、純水流量計１０の検出値を読み込んで、純水流量検出値と所定値を比較して、燃料電池スタック８が凍結しているか、否かを判断する。燃料電池スタック８が凍結と判断された場合、内燃機関４の運転を開始する。このとき、冷却液は冷却ポンプ３で圧送されて内燃機関４に送り込まれ、内燃機関４の運転による熱で冷却液を昇温させて、冷却液の温度を上げた状態で燃料電池スタック８の燃料電池の熱交換器７に送り込まれる。熱交換器７では、純水用放熱器６の内部の純水に高温の冷却液から伝熱し、純水を解氷させる。
【００２６】
純水の解氷後は、燃料電池スタック８の通常運転の発電に移行し、燃料電池スタックの暖機が終了すると、特に必要の運転の無い場合は内燃機関を停止する。
【００２７】
図２は、本実施例におけるシステム制御ユニット１３の制御ブロック図である。まず純水流量計１０１（図１の純水流量計１０に相当）から流量データを取得し、この流量データに基づいて純水の凍結状態算出（１０３）し、凍結しているか否かを判断する。この凍結判断に基づいて内燃機関運転１０５を行う。一方、冷却水循環系１０７（図１の放熱器２，冷却ポンプ３，冷却水配管５に相当）は冷却水循環を行う。内燃機関運転１０５による発熱と、冷却水循環系１０７による冷却水循環とにより熱交換器１１１（図１の熱交換器７に相当）に熱が導入され、純水系の解氷１１３が行われる。
【００２８】
図３は、本実施例におけるコントローラ１３の解氷制御を説明するフローチャートである。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０で、システム制御ユニットが純水流量計から流量値Ｑを読み込む。次いでＳ１２で流量値Ｑが所定値Ｑ０以下か否かを判定する。流量値Ｑが所定値Ｑ０以下であれば、Ｓ１４で純水系が凍結していると判断し、Ｓ１６へ進む。流量値Ｑが所定値Ｑ０を超えていれば、純水系に凍結がないものとして、解氷制御を終了する。ここで所定値Ｑ０は、実験的に純水系に、凍結状態、半凍結状態、解氷状態の各種の状態を作り、完全に解氷していると判断できる純水流量を求めてＱ０に設定する。
【００２９】
Ｓ１６では、システム制御ユニット１３は、内燃機関４から運転状態を読み込み、Ｓ１８で、運転状態に基づいて内燃機関４が停止中であるか否かを判定する。内燃機関４が停止中でなければ、Ｓ２０を飛ばしてＳ２１へ進む。内燃機関４が停止中であれば、Ｓ２０へ進む。
【００３０】
Ｓ２０では、内燃機関４の運転を開始する。内燃機関の運転開始は、通常の内燃機関の運転開始と同じであり、例えば、リングギアにスターターモータのピニオンを噛み合わせてスターターモータを回転させ、内燃機関へ燃料ガスを送り込み、機関回転に合わせて点火装置で点火する。内燃機関４は、燃料電池スタックが凍結している氷点下でも始動が可能である。内燃機関４が運転を開始すると、Ｓ２１で内燃機関４で加熱された冷却液が熱交換器７へ流れ込むことで熱交換器７が発熱し、Ｓ２２で純水用放熱器６を介して冷却液が純水を加熱して解凍し、Ｓ１０へ戻る。
【００３１】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池スタックの純水が凍結した低温時にも、内燃機関を起動して、その廃熱で燃料電池スタックの純水を解凍することができ、外部電源や大容量の蓄電装置を備えることなく、燃料電池システムを起動することができるという効果がある。
【実施例２】
【００３２】
次に、図４乃至図６を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。図４は、実施例２の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。図５は、燃料電池システムのシステム制御ユニットの制御ブロック図である。図６は、システム制御ユニットにおける制御フローチャートである。
【００３３】
図４に示す実施例２の燃料電池システム１は、図１に示した実施例１の構成に、冷却ポンプ３と燃料電池スタック８の冷却液入口との間を開閉する冷却液燃料電池入口遮断弁１７と、燃料電池スタックの冷却液出口と放熱器２との間を開閉する冷却液燃料電池出口遮断弁１８と、冷却ポンプ３と内燃機関４の冷却液入口との間を開閉する冷却液内燃機関入口遮断弁１９と、内燃機関４の冷却液出口と放熱器２との間を開閉する冷却液内燃機関出口遮断弁２０と、燃料電池スタック８が内燃機関４の上流側になる一方向弁を備えた冷却液経路（燃料電池低温側）２１と、燃料電池スタック８が内燃機関４の下流側になる一方向弁を備えた冷却液経路（燃料電池高温側）２２とを追加した構成となっている。その他の構成要素は、実施例１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。
【００３４】
本実施例の特徴は、燃料電池スタック８に流入する冷却液を比較的高温の冷却液とするか比較的低温の冷却液とするかを切り替える冷却液流路切替手段として、遮断弁１７〜２０が設けられていることである。
【００３５】
そして、冷却液燃料電池出口遮断弁１８と冷却液内燃機関入口遮断弁１９とを開き、冷却液燃料電池入口遮断弁１７と冷却液内燃機関出口遮断弁２０とを閉じた場合に、冷却液は、冷却ポンプ３から、冷却液内燃機関入口遮断弁１９、内燃機関４、冷却液経路２２，熱交換器７，冷却液燃料電池出口遮断弁１８、放熱器２という経路で循環する。これにより内燃機関４を冷却した比較的高温の冷却液を熱交換器７へ流入させ、これにより純水用放熱器６を加熱して、温度上昇した純水を燃料電池スタック８に流入させることができる。
【００３６】
これとは逆に、冷却液燃料電池入口遮断弁１７と冷却液内燃機関出口遮断弁２０とを開き、冷却液燃料電池出口遮断弁１８と冷却液内燃機関入口遮断弁１９とを閉じた場合に、冷却液は、冷却ポンプ３から、冷却液燃料電池入口遮断弁１７、熱交換器７，冷却液経路２１，内燃機関４、冷却液内燃機関出口遮断弁２０、放熱器２という経路で循環する。これにより、比較的低温の冷却液を熱交換器７へ流入させることができる。
【００３７】
このように、システム制御ユニット１３から各遮断弁１７，１８，１９，２０の開閉を制御することにより、純水と熱交換する熱交換器７に流入する冷却液の系内温度を選択可能となっている。
【００３８】
これにより、通常運転時は、冷却液燃料電池入口遮断弁１７と冷却液内燃機関出口遮断弁２０とを開き、冷却液燃料電池出口遮断弁１８と冷却液内燃機関入口遮断弁１９とを閉じることで、冷却液循環系中で冷却液温度がもっとも低くなる放熱器２の出口から燃料電池スタック８へ冷却液を供給し、燃料電池スタックからの放熱量を可能な限り大きく取ることで、冷却液の流量を最小化できるので、冷却ポンプ３の仕事量を最小化できる。
【００３９】
次に、低温時の燃料電池スタックを解氷する起動時の制御については、冷却液燃料電池出口遮断弁１８と冷却液内燃機関入口遮断弁１９とを開き、冷却液燃料電池入口遮断弁１７と冷却液内燃機関出口遮断弁２０とを閉じることで、内燃機関４の熱を有効に燃料電池スタック８に供給する構成にする。
【００４０】
図５は、本実施例におけるシステム制御ユニット１３の制御ブロック図である。まず純水流量計１０１（図４の純水流量計１０に相当）から流量データを取得し、この流量データに基づいて純水の凍結状態算出（１０３）し、凍結しているか否かを判断する。この凍結判断に基づいて、遮断弁１７，１８，１９，２０の開閉制御（１０４）を行い、熱交換器７へ比較的温度の高い冷却液を導入するか、比較的温度の低い冷却液を導入するかを切り替える。次いで、１０３の凍結状態判断に基づいて、内燃機関運転１０５を行う。一方、冷却水循環系１０７（図４の放熱器２，冷却ポンプ３，冷却水配管５に相当）は冷却水循環を行う。内燃機関運転１０５による発熱と、冷却水循環系１０７による冷却水循環とにより熱交換器１１１（図４の熱交換器７に相当）に熱が導入され、純水系の解氷１１３が行われる。
【００４１】
図６は、本実施例におけるコントローラ１３の解氷制御を説明するフローチャートである。まず、Ｓ３０で、システム制御ユニットが純水流量計から流量値Ｑを読み込む。次いでＳ３２で流量値Ｑが所定値Ｑ０以下か否かを判定する。流量値Ｑが所定値Ｑ０以下であれば、Ｓ３４で純水系が凍結していると判断し、Ｓ３６へ進む。流量値Ｑが所定値Ｑ０を超えていれば、純水系に凍結がないものとして、Ｓ３８へ進み、熱交換器７へ比較的低温の冷却液が流入するように、遮断弁１７〜２０を切り替えて、解氷制御を終了する。ここで所定値Ｑ０は、実験的に純水系に、凍結状態、半凍結状態、解氷状態の各種の状態を作り、完全に解氷していると判断できる純水流量を求めてＱ０に設定する。
【００４２】
Ｓ３６では、熱交換器７へ比較的高温の冷却液が流入するように、遮断弁１７〜２０を切り替えて、燃料電池スタック８へ供給する純水を加熱する。
【００４３】
次いで、Ｓ４０で、システム制御ユニット１３は、内燃機関４から運転状態を読み込み、Ｓ４２で、運転状態に基づいて内燃機関４が停止中であるか否かを判定する。内燃機関４が停止中でなければ、Ｓ４４を飛ばしてＳ４６へ進む。内燃機関４が停止中であれば、Ｓ４４へ進む。
【００４４】
Ｓ４４では、内燃機関４の運転を開始する。内燃機関の運転開始は、通常の内燃機関の運転開始と同じであり、例えば、リングギアにスターターモータのピニオンを噛み合わせてスターターモータを回転させ、内燃機関へ燃料ガスを送り込み、機関回転に合わせて点火装置で点火する。内燃機関４は、燃料電池スタックが凍結している氷点下でも始動が可能である。内燃機関４が運転を開始すると、Ｓ４６で内燃機関４で加熱された冷却液が熱交換器７へ流れ込むことで熱交換器が発熱し、Ｓ４８で純水用放熱器６を介して冷却液が純水を加熱して解凍し、Ｓ３０へ戻る。
【００４５】
以上説明した本実施例によれば、熱交換器に流入する冷却液を比較的高温の冷却液とするか比較的低温の冷却液とするかを切り替える冷却液流路切替手段を備えたことにより、燃料電池スタック暖機時には、内燃機関で暖められた比較的高温の冷却液を熱交換器に導入して効率よく暖機することができるとともに、燃料電池の通常運転時には、比較的低温の冷却液を熱交換器に導入することができ、通常運転時の燃料電池冷却性能を確保することができるという効果がある。
【実施例３】
【００４６】
次に、図７乃至図９参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。図７は、実施例３の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。図８は、燃料電池システムのシステム制御ユニットの制御ブロック図である。図９は、システム制御ユニットにおける制御フローチャートである。
【００４７】
図７に示す実施例３の燃料電池システム１は、図１に示した実施例１の構成に、冷媒コンプレッサ２３と、冷媒膨張器２４と、冷媒循環装置２５と、冷媒放熱器２６とを追加し、これらの構成要素２３〜２６で冷暖房可能な空気調和装置（以下、空調装置と略す）を構成している。その他の構成要素は、実施例１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。
【００４８】
本実施例では、低温時の燃料電池スタック８を解氷する起動時の制御については、実施例１と同様に、内燃機関４を運転させ、その熱で燃料電池スタック８を解氷させて、これを起動させる。
【００４９】
本実施例の特徴は、内燃機関４の動力を空調装置の冷媒コンプレッサ２３の動力源として使用することで、低温環境に放置された車両の燃料電池スタック８を起動する際に、内燃機関４を運転させ、その廃熱で燃料電池スタック８を暖機すると共に、内燃機関４の動力で空調装置のヒートポンプを駆動させることができ、燃料電池スタック８が発電可能となることを待つことなく、速やかに車室内の暖房を始めることができるという効果がある。
【００５０】
また本実施例を適用しない燃料電池車両の場合においては、空調装置の冷媒コンプレッサを回すためにモータやインバータが必要であり、また空調装置の起動を早めようとすると燃料電池スタック以外の大きな２次電池が必要であったりするが、本実施例を適用することでこれらの装置を削減でき、それだけ車両を軽量化することができるという効果がある。
【００５１】
ところで燃料電池スタックの解氷の必要がないときには、空調装置の冷媒コンプレッサ２３からの駆動要求に応じてのみ内燃機関４を運転させ、空調装置の冷媒コンプレッサ２３に駆動力を供給する。
【００５２】
図８は、本実施例におけるシステム制御ユニット１３の制御ブロック図である。まず純水流量計１０１（図７の純水流量計１０に相当）から流量データを取得し、この流量データに基づいて純水の凍結状態算出（１０３）し、凍結しているか否かを判断する。
【００５３】
一方、ユーザからの暖房要求または窓晴れ要求（１３１）が空調装置の制御パネルから入力されるか、或いは、凍結判断１０３がなされると、内燃機関運転１０５を行う。
【００５４】
内燃機関運転１０５により、冷媒コンプレッサ２３が運転され（１３３）、空調装置の暖房サイクルにより車室内の暖房または窓晴れ（１３５）が行われる。
【００５５】
一方、冷却水循環系１０７（図７の放熱器２，冷却ポンプ３，冷却水配管５に相当）は冷却水循環を行う。そして、内燃機関運転１０５による発熱と、冷却水循環系１０７による冷却水循環とにより、熱交換器１１１（図７の熱交換器７に相当）に熱が導入され、純水系の解氷１１３が行われる。
【００５６】
図９は、本実施例におけるコントローラ１３の解氷・暖房制御を説明するフローチャートである。まず、Ｓ１１０で、暖房または窓晴れの制御要求を読み込み、Ｓ１１２で制御要求があるか否かを判定する。制御要求があれば、Ｓ１２０へ移る。
【００５７】
Ｓ１１２で制御要求がなければ、次いで解凍の必要性を判断するために、Ｓ１１４システム制御ユニットが純水流量計から流量値Ｑを読み込み、Ｓ１１６で流量値Ｑが所定値Ｑ０以下か否かを判定する。流量値Ｑが所定値Ｑ０以下であれば、Ｓ１１８で純水系が凍結していると判断し、Ｓ１２０へ進む。流量値Ｑが所定値Ｑ０を超えていれば、純水系に凍結がないものとして、解氷・暖房制御を終了する。ここで所定値Ｑ０は、実験的に純水系に、凍結状態、半凍結状態、解氷状態の各種の状態を作り、完全に解氷していると判断できる純水流量を求めてＱ０に設定する。
【００５８】
Ｓ１２０では、システム制御ユニット１３は、内燃機関４から運転状態を読み込み、Ｓ１２２で、運転状態に基づいて内燃機関４が停止中であるか否かを判定する。内燃機関４が停止中でなければ、Ｓ１２４を飛ばしてＳ１２６へ進む。内燃機関４が停止中であれば、Ｓ１２４へ進む。
【００５９】
Ｓ１２４では、内燃機関４の運転を開始する。内燃機関の運転開始は、通常の内燃機関の運転開始と同じであり、例えば、リングギアにスターターモータのピニオンを噛み合わせてスターターモータを回転させ、内燃機関へ燃料ガスを送り込み、機関回転に合わせて点火装置で点火する。内燃機関４は、燃料電池スタックが凍結している氷点下でも始動が可能である。内燃機関４が運転を開始すると、Ｓ１２６で内燃機関４で加熱された冷却液が熱交換器７へ流れ込むことで熱交換器７が発熱し、Ｓ１２８で純水用放熱器６を介して冷却液が純水を加熱して解凍し、Ｓ１１０へ戻る。
【実施例４】
【００６０】
次に、図１０乃至図１３参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。図１０は、実施例４の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。図１１は、燃料電池システムのシステム制御ユニットの制御ブロック図である。図１２は、システム制御ユニットにおける制御フローチャートである。図１３は、内燃機関を運転するための判断閾値を示したグラフである。
【００６１】
図１０に示す実施例４の燃料電池システム１は、図１に示した実施例１の構成に、内燃機関４により駆動される発電機２７と、システム内の余剰電力を貯蔵し必要に応じて放電する２次電池２８と、発電機２７と２次電池２８及び燃料電池スタック８を接続する電源用配線２９と、外気温度検出装置３０と、冷却液切替弁３１と、冷却液バイパス流路３２とを追加したものである。冷却液切替弁３１は、内燃機関４を冷却した冷却液を燃料電離の純水用放熱器６へ供給するか、バイパス流路３２を介して放熱器２へ還流させるかを切り替える切替弁である。その他の構成要素は、実施例１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。
【００６２】
本実施例では、低温時の燃料電池スタック８を解氷する起動時の制御については、実施例１と同様に、内燃機関４を運転させ、その熱で燃料電池スタック８を解氷させて、これを起動させる。
【００６３】
本実施例では、車両の補機として発電機２７を備え、この発電機２７を内燃機関４の動力で駆動して発電させることができるようになっている。そして、システム制御ユニット１３は、車両に電力需要があるとき、車両状態及びまたは車両周囲環境に基づいて、燃料電池スタック８の発電効率と内燃機関４により駆動される発電機２７の発電効率とをそれそれ算出して比較し、発電効率の高い方を選択して発電させるように制御している。
【００６４】
ところで内燃機関４で駆動される発電機２７と、燃料電池スタック８との発電効率を比較すると、一般的には内燃機関４と発電機２７の組み合わせより、燃料電池スタック８の方が高効率である。しかしながら、一般に車両用として搭載されている固体高分子電解質型の燃料電池スタックは、運転温度を例えば、９０〔℃〕程度に保つ必要があって、外気温が高くなると、冷却液循環装置中の冷却ポンプ３の流量や、放熱器２へ送風する図示しないラジエタファンの風量を非常に大きくする必要性があり、冷却ポンプ３及びラジエタファンの消費電力量が増大し、結果として取り出せる正味電力が減少し、発電効率が低下することが懸念される。
【００６５】
これに対して、内燃機関４は、燃料電池スタック８に比べて十分に高温で運転することが可能、言い換えれば、冷却装置の運転を少なくすることができる。このため、高温環境下では燃料電池スタック８より内燃機関４と発電機２７との組み合わせの方が発電効率が高くなる。この外気温度に対する燃料電池スタックの発電効率と、内燃機関及び発電機の発電効率を図示したものが図１３である。図１３に示すように、ある温度ｔ１以上では、燃料電池スタック８より内燃機関４及び発電機２７による発電効率の方が高くなっている。
【００６６】
本実施例では、予め、実験等によるデータ解析に基づいて、内燃機関と発電機の組み合わせと燃料電池スタックとの発電効率が交差する温度（図１３のｔ１）を求めて、システム制御ユニット１３に所定温度として記憶させておく。そして、外気温度検出装置３０で検出した外気温度が前記所定温度以上となった場合に、燃料電池スタックの発電を停止し、冷却液切替弁３１で冷却液流路を冷却液バイパス経路３２へ切り替えて、高温の冷却液が燃料電池スタック８に供給されないようにした上で内燃機関４の運転に切り替えて、高温環境下での効率的な発電を実施することが可能になる。
【００６７】
図１１は、本実施例におけるシステム制御ユニット１３の制御ブロック図である。まず外気温度検出装置１２１（図１０の外気温度検出装置３０に相当）により外気温度を検出する。この温度データは、発電評価関数１２３の入力パラメータとなり、発電評価関数１２３により、この外気温度条件における燃料電池スタック８の発電効率と、内燃機関４及び発電機２７による発電効率との何れの方が高いかが判断され、内燃機関４及び発電機２７の方が発電効率が高ければ、内燃機関４に対する運転要求を出力する。
【００６８】
一方、純水流量計１０１（図１０の純水流量計１０に相当）から流量データを取得し、この流量データに基づいて純水の凍結状態算出（１０３）し、凍結しているか否かを判断する。そして発電評価関数１２３の運転要求または凍結状態算出１０３かたの凍結判断があった場合、内燃機関運転１２５を行う。
【００６９】
内燃機関運転１２５により、発電機運転１２７が行われ、電力が発生する（１２９）。
【００７０】
一方、冷却水循環系１０７（図１０の放熱器２，冷却ポンプ３，冷却水配管５に相当）は冷却水循環を行う。そして、内燃機関運転１２５による発熱と、冷却水循環系１０７による冷却水循環とにより、熱交換器１１１（図１０の熱交換器７に相当）に熱が導入され、純水系の解氷１１３が行われる。
【００７１】
図１２は、本実施例におけるコントローラ１３の解氷・発電制御を説明するフローチャートである。まず、Ｓ５０で、外気温度検出装置の検出値を読み込み、Ｓ５２で燃料電池スタックと、内燃機関及び発電機のそれぞれの発電効率を算出する。Ｓ５４で、燃料電池スタックの発電効率が内燃機関及び発電機の発電効率以上か否か、言い換えれば、燃料電池の発電が優位か否かを判定する。
【００７２】
Ｓ５４の判定で、燃料電池が優位でなければ、Ｓ６４で、内燃機関及び発電機による発電を行うと判断し、Ｓ６６へ進む。Ｓ６６では、冷却液切替弁３１を燃料電池スタック８側から、冷却液バイパス流路３２側へ切り替えて、内燃機関４を冷却した高温の冷却液が燃料電池を冷却する熱交換器７へ流入せずに、冷却液バイパス流路３２を介して、放熱器２へ戻るように設定し、Ｓ６８へ進む。
【００７３】
Ｓ５４の判定で、燃料電池が優位であれば、Ｓ５６へ進む。Ｓ５６では、解凍の必要性を判断するために、システム制御ユニットが純水流量計から流量値Ｑを読み込み、Ｓ５８で流量値Ｑが所定値Ｑ０以下か否かを判定する。流量値Ｑが所定値Ｑ０以下であれば、Ｓ６０で純水系が凍結していると判断し、Ｓ６２へ進む。流量値Ｑが所定値Ｑ０を超えていれば、純水系に凍結がないものとして、解氷・暖房制御を終了する。ここで所定値Ｑ０は、実験的に純水系に、凍結状態、半凍結状態、解氷状態の各種の状態を作り、完全に解氷していると判断できる純水流量を求めてＱ０に設定する。
【００７４】
Ｓ６２では、燃料電池スタック８を冷却するために、冷却液切替弁３１を熱交換器７側へ切り替える。
【００７５】
次いで、Ｓ６８では、システム制御ユニット１３は、内燃機関４から運転状態を読み込み、Ｓ７０で、運転状態に基づいて内燃機関４が停止中であるか否かを判定する。内燃機関４が停止中でなければ、Ｓ７２を飛ばしてＳ７４へ進む。内燃機関４が停止中であれば、Ｓ７２へ進む。
【００７６】
Ｓ７２では、内燃機関４の運転を開始する。内燃機関の運転開始は、通常の内燃機関の運転開始と同じであり、例えば、リングギアにスターターモータのピニオンを噛み合わせてスターターモータを回転させ、内燃機関へ燃料ガスを送り込み、機関回転に合わせて点火装置で点火する。内燃機関４は、燃料電池スタックが凍結している氷点下でも始動が可能である。内燃機関４が運転を開始すると、Ｓ７４で、冷却液切替弁が燃料電池側に切り替えられていれば、水内燃機関４で加熱された冷却液が熱交換器７へ流れ込むことで熱交換器７が発熱し、Ｓ７６で純水用放熱器６を介して冷却液が純水を加熱して解凍し、Ｓ５０へ戻る。
【００７７】
以上説明した本実施例によれば、内燃機関の動力により駆動される発電機を備えたので、燃料電池スタックの発電効率より発電機の発電効率が高い場合に、発電機を優先して電力供給させることができ、システムとしての発電効率を高めることができるという効果がある。
【実施例５】
【００７８】
次に、図１４乃至図１６参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。図１４は、実施例５の燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。図１５は、燃料電池システムのシステム制御ユニットの制御ブロック図である。図１６は、システム制御ユニットにおける制御フローチャートである。
【００７９】
図１４に示す実施例５の燃料電池システム１は、図１に示した実施例１の構成に、内燃機関４により駆動される発電機２７と、システム内の余剰電力を貯蔵し必要に応じて放電する２次電池２８と、発電機２７と２次電池２８及び燃料電池スタック８を接続する電源用配線２９と、冷却液の燃料電池入口における温度を検出する冷却液燃料電池入口温度検出装置３３とを追加したものである。その他の構成要素は、実施例１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。
【００８０】
本実施例では、低温時の燃料電池スタック８を解氷する起動時の制御については、実施例１と同様に、内燃機関４を運転させ、その熱で燃料電池スタック８を解氷させて、これを起動させる。
【００８１】
本実施例では、実施例４と同じく内燃機関４の動力を発電機２７に供給し、発電機２７から電気エネルギとして車両に供給することができる。
【００８２】
本実施例は実施例４とは異なり、車両から燃料電池スタック８の発電量以上の電力要求があった場合において、しかも燃料電池スタック８の冷却液入口温度が燃料電池スタックの運転上限以下の場合において、内燃機関４の運転を行ない燃料電池スタック８の発電補助を行なうことで、総合的な発電出力を向上させることが可能になる。
【００８３】
図１５は、本実施例におけるシステム制御ユニット１３の制御ブロック図である。まず燃料電池システムに関連する関連システム１３１から発電要求があると、冷却液燃料電池入口温度検出装置（図１４の符号３３）の検出値に基づいて燃料電池許容温度以下か否かを判定（１３３）し、許容温度以下であれば、内燃機関の運転要求を出力する。
【００８４】
一方、純水流量計１０１（図１４の純水流量計１０に相当）から流量データを取得し、この流量データに基づいて純水の凍結状態算出（１０３）し、凍結しているか否かを判断する。そして発電評価関数１２３の運転要求または凍結状態算出１０３かたの凍結判断があった場合、内燃機関運転１２５を行う。
【００８５】
内燃機関運転１２５により、発電機運転１２７が行われ、電力が発生する（１２９）。
【００８６】
一方、冷却水循環系１０７（図１４の放熱器２，冷却ポンプ３，冷却水配管５に相当）は冷却水循環を行う。そして、内燃機関運転１２５による発熱と、冷却水循環系１０７による冷却水循環とにより、熱交換器１１１（図１４の熱交換器７に相当）に熱が導入され、純水系の解氷１１３が行われる。
【００８７】
図１６は、本実施例におけるコントローラ１３の解氷・発電補助制御を説明するフローチャートである。まず、Ｓ８０で、冷却液燃料電池入口温度検出装置３３から冷却液の燃料電池入口における温度検出値（燃料電池温度）を読み込み、Ｓ８２で、内燃機関を運転しても冷却液温度が燃料電池許容温度を超えないかを判断する。Ｓ８４で、冷却液温度が内燃機関運転可能な温度以下であるか否かを判断する。運転可能温度以下であれば、Ｓ８６へ進む。運転可能温度を超えていれば、何もせずに終了する。
【００８８】
次いでＳ８６で、システム制御ユニットが純水流量計から流量値Ｑを読み込む。次いでＳ８８で流量値Ｑが所定値Ｑ０以下か否かを判定する。流量値Ｑが所定値Ｑ０以下であれば、Ｓ９０で純水系が凍結していると判断し、Ｓ９４へ進む。流量値Ｑが所定値Ｑ０を超えていれば、純水系に凍結がないものとして、Ｓ９２へ進む。ここで所定値Ｑ０は、実験的に純水系に、凍結状態、半凍結状態、解氷状態の各種の状態を作り、完全に解氷していると判断できる純水流量を求めてＱ０に設定する。
【００８９】
Ｓ９２では、補助発電要求があるか否かを判断する。補助発電要求がなければ、何もせずに終了する。Ｓ９２で、補助発電要求があれば、Ｓ９４へ進む。
【００９０】
Ｓ９４では、システム制御ユニット１３は、内燃機関４から運転状態を読み込み、Ｓ９６で、運転状態に基づいて内燃機関４が停止中であるか否かを判定する。内燃機関４が停止中でなければ、Ｓ９８を飛ばしてＳ１００へ進む。内燃機関４が停止中であれば、Ｓ９８へ進む。
【００９１】
Ｓ９８では、内燃機関４の運転を開始する。内燃機関の運転開始は、通常の内燃機関の運転開始と同じであり、例えば、リングギアにスターターモータのピニオンを噛み合わせてスターターモータを回転させ、内燃機関へ燃料ガスを送り込み、機関回転に合わせて点火装置で点火する。内燃機関４は、燃料電池スタックが凍結している氷点下でも始動が可能である。内燃機関４が運転を開始すると、Ｓ１００で内燃機関４で加熱された冷却液が熱交換器７へ流れ込むことで熱交換器７が発熱するとともに、発電機２７が回転駆動されて発電する。次いでＳ１０２で純水用放熱器６を介して冷却液が純水を加熱して解凍し、Ｓ８０へ戻る。
【００９２】
以上説明した本実施例によれば、負荷装置の要求電力が燃料電池スタックの発電容量を上回った場合に、冷却液循環装置の能力に余裕があれば、内燃機関により発電機を駆動して発電を行うことにより、より高出力な電力供給を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１における制御内容を説明する制御ブロック図である。
【図３】実施例１における制御内容を説明する制御フローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】実施例２における制御内容を説明する制御ブロック図である。
【図６】実施例２における制御内容を説明する制御フローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。
【図８】実施例３における制御内容を説明する制御ブロック図である。
【図９】実施例３における制御内容を説明する制御フローチャートである。
【図１０】本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を説明するシステム構成図である。
【図１１】実施例４における制御内容を説明する制御ブロック図である。
【図１２】実施例４における制御内容を説明する制御フローチャートである。
【図１３】外気温度に対する燃料電池と内燃機関駆動発電機との発電効率を示すグラフである。
【図１４】本発明に係る燃料電池システムの実施例５の構成を説明するシステム構成図である。
【図１５】実施例５における制御内容を説明する制御ブロック図である。
【図１６】実施例５における制御内容を説明する制御フローチャートである。
【符号の説明】
【００９４】
１…燃料電池システム
２…放熱器
３…冷却ポンプ
４…内燃機関
５…冷却液配管
６…純水用放熱器
７…熱交換器
８…燃料電池スタック
９…燃料電池純水経路
１０…純水流量計
１１…純水排出経路
１２…制御用配線
１３…システム制御ユニット
【図１】
2006107879.tif 000003
【図２】
2006107879.tif 000004
【図３】
2006107879.tif 000005
【図４】
2006107879.tif 000006
【図５】
2006107879.tif 000007
【図６】
2006107879.tif 000008
【図７】
2006107879.tif 000009
【図８】
2006107879.tif 000010
【図９】
2006107879.tif 000011
【図１０】
2006107879.tif 000012
【図１１】
2006107879.tif 000013
【図１２】
2006107879.tif 000014
【図１３】
2006107879.tif 000015
【図１４】
2006107879.tif 000016
【図１５】
2006107879.tif 000017
【図１６】
2006107879.tif 000018