(57)【要約】【課題】燃料電池システムの発電効率を向上する。【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１を冷却する冷媒を循環させる冷媒流路１８と、前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器２と、この加湿器２に水を循環させる水流路２Ａと、前記冷媒と前記水との間で熱交換させる熱交換器２２と、前記熱交換器をバイパスして水を前記加湿器に供給する水バイパス流路２Ｂと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記加湿器２に流入する水流量と前記水バイパス流路２Ｂに流入する水流量とを制御する制御弁２Ｃと、前記加湿器の出口でのガス温度を検出するガス温度検出手段２７と、前記燃料電池の入口での冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段２３と、前記検出されたガス温度と冷媒温度の差を演算する温度差演算手段１４と、前記演算されたガスと冷媒の温度差と所定温度とを比較し、この温度差が所定温度を越えた場合に温度差が所定温度以下となるように前記制御弁を制御する制御弁制御手段１４とを備える。【選択図】    図１
2004355886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料電池を冷却する冷媒を循環させる冷媒流路と、
前記燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器と、
この加湿器に水を循環させる水流路と、
前記冷媒と前記水との間で熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器をバイパスして水を前記加湿器に供給する水バイパス流路と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記加湿器に流入する水流量と前記水バイパス流路に流入する水流量とを制御する制御弁と、
前記加湿器の出口でのガス温度を検出するガス温度検出手段と、
前記燃料電池の入口での冷媒温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記検出されたガス温度と冷媒温度の差を演算する温度差演算手段と、
前記演算されたガスと冷媒の温度差と所定温度とを比較し、この温度差が所定温度を越えた場合に温度差が所定温度以下となるように前記制御弁を制御する制御弁制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御弁制御手段は、前記演算した温度差が所定温度を越えた場合には、前記水バイパス流路を流通する水の流量を増大するように前記制御弁を制御する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】
前記制御弁制御手段は、前記演算した温度差が所定温度を越えた場合には、温度差が前記所定温度以下の第２所定温度となるように前記制御弁を制御する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４】
前記加湿器に流入する水の温度を検出する水温度検出手段を設け、
前記温度差演算手段は、前記検出された水温度と冷媒温度の差を演算し、
前記制御弁制御手段は、前記演算された水と冷媒の温度差と前記所定温度とを比較し、この温度差が所定温度を越えた場合に前記バイパス流路を流通する冷媒の流量を増大するように前記制御弁を制御することを特徴とする請求項１に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関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池内に水が生成され、この水がガスの流れを滞らせたり、ガスが触媒の反応面と接触する接触面積を制限するため、燃料電池の発電効率を低下させる問題がある。
【０００３】
この課題を解決する技術として、水素または酸化剤ガスの供給経路のいずれか一方に燃料ガスまたは酸化剤ガスの温度を低下させる熱交換器を設け、燃料電池に供給する水素ガスまたは酸化剤ガスのいずれかの温度を低下させることにより、運転開始直後や起動時に時間が経過しても、また急激な負荷変動が生じた場合でも、水分がガス供給経路内に凝縮、結露することを防止し、安定運転が可能で高出力を維持可能とする技術がある（特許文献１参照のこと。）。
【０００４】
また、他の解決手段として、燃料電池と一次熱交換器を循環する一次冷却系と、ラジエタと一次熱交換器を循環する二次冷却系を設け、さらに一次冷却系には一次熱交換器をバイパスするバイパス流路を設け、一次冷却系の冷媒が一次熱交換器をバイパスすることにより温度調整を行なうことで上記課題を解決する技術がある（特許文献２参照のこと。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８８９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１７８７６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池スタック内の凝縮水生成量を低下させるためには、燃料電池入口冷媒温度と加湿器出口ガス温度との関係を、「燃料電池入口冷媒温度＞加湿器出口ガス温度」とすることが必須条件である。しかし、特許文献１に記載の技術では、燃料電池入口冷媒温度と加湿器出口ガス温度との関係に対して一切着目していないため、燃料電池スタック入口付近で凝縮水を生成してしまいセル電圧が安定しないという問題がある。
【０００７】
また特許文献２に記載の技術では、熱交換器から冷媒をバイパスする際の圧力損失に伴う冷媒流量低下を考慮していないので、流量変化が生じた場合には温度調整を行なうことが困難となる問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池温度の上昇を促進し、凝縮水の生成を抑え、バイパス流路での圧力損失により冷媒流量に変化が生じた場合でも、発電効率の高い燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却する冷媒と燃料電池に供給されるガスを加湿する加湿器に供給される水との間で熱交換させる熱交換器と、加湿器に供給する水の流路に熱交換器をバイパスする水バイパス流路とを備え、加湿器出口でのガス温度と燃料電池入口での冷媒温度とを検出し、検出したガス温度と冷媒温度との温度差が所定温度を越えている場合に温度差が所定温度以下になるように熱交換器を流通する水流量と水バイパス流路を流通する水流量とを制御することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、加湿器出口でのガス温度と燃料電池入口の冷媒温度との温度差が所定温度を越える場合に、温度差が所定温度以下になるように加湿器を循環する水の流量を制御するため、ガス温度と冷媒温度との温度差を所定温度差内に制御でき、燃料電池内での凝縮水の生成を抑制して、安定的に高負荷まで発電することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池システムの構成図である。
【００１２】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給される水素と空気（酸化剤）を加湿する加湿器２と、加湿器２を介して燃料電池スタック１に空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池スタック１に水素を供給する高圧水素タンク４と、燃料電池スタック１から排出された排水素をタンク４から供給された水素と混合するためのイジェクタ５と、加湿器２に純水を循環させる純水流路２Ａに設置され、加湿器２に純水を供給するためのポンプ６とからなる。
【００１３】
さらに燃料電池システムは、燃料電池スタック１に供給される水素流量を制御する制御弁７と、排水素を外部に放出（パージ）するためのパージ弁８と、燃料電池スタック１から排出される排空気流量を制御するための制御弁９とを備える。なお、燃料電池スタック１の供給される空気流量は、コンプレッサ３の運転条件により制御される。
【００１４】
燃料電池スタック１に供給される水素の流量と圧力は水素流量センサ１０と水素圧力センサ１１により検出されるとともに、燃料電池スタック１に供給される空気の流量と圧力は空気流量センサ１２と空気圧力センサ１３により検出される。これら検出された流量、圧力データは燃料電池システムを統合制御するコントローラ１４に出力される。また、燃料電池スタック１の発電状態を検出するための電圧検出手段１５が設置され、この検出した電圧値がコントローラ１４に出力される。
【００１５】
コントローラ１４は、これら入力データや要求電力等に基づいて前述のコンプレッサ３、ポンプ６、制御弁７、パージ弁８と制御弁９を制御して燃料電池スタック１から要求電力を出力する。コントローラ１４は、燃料電池システムが搭載される移動体の駆動ユニット１６を制御するようにしてもよい。
【００１６】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１の温度を制御するための冷却システムが備えられる。燃料電池スタック１を冷却するための冷媒は、ポンプ１７によって燃料電池スタック１に導入され、冷媒は燃料電池スタック１を通過後を再びポンプ１７に送られ、循環するように冷媒流路１８が形成される。ポンプ１７の上流には燃料電池スタック１との熱交換により昇温した冷媒の熱を放熱するためのラジエータ１９が設置され、またこのラジエータ１９を冷媒がバイパスする冷媒バイパス流路２０が形成される。冷媒流路１８と冷媒バイパス流路２０との分岐には、ラジエータ１９に導入される冷媒流量と、冷媒バイパス流路２０に流入する冷媒流量を制御する冷媒三方弁２１が設置される。さらに冷媒三方弁２１の上流側に冷媒流路１８を流通する冷媒と加湿器２を循環する純水との間で熱交換を行う熱交換器２２が設置される。
【００１７】
なお、純水流路２Ａには、熱交換器２２をバイパスして純水を循環させるための純水バイパス流路２Ｂが形成されている。純水流路２Ａと純水バイパス流路２Ｂとの分岐点にはコントローラ１４により制御される純水三方弁２Ｃが設置されており、コントローラ１４は、純水流量の熱交換器２２に流通する流量と純水バイパス流路２Ｂに流通する流量の分配率を制御する。
【００１８】
冷媒流路１８には、燃料電池スタック１の入口と出口に冷媒温度を検出するための温度センサ２３、２４が設置される。さらに燃料電池スタック１に流入する空気の温度を検出する温度センサ２５が設置される。これら温度センサ２３から２５の検出温度はコントローラ１４に送られ、コントローラ１４は入力された信号に基づいてポンプ１７、ラジエータ１９、冷媒三方弁２１、純水三方弁２Ｃを制御する。
【００１９】
図２は、コントローラ１４の構成を説明するブロック図である。
【００２０】
コントローラ１４は、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３が検出した温度が入力され、冷媒温度を上昇する必要があるかどうかを判定する冷媒温度上昇判定手段１０１と、燃料電池スタック１の出入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３、２４が検出した温度の差を演算する冷媒温度差演算手段１０２と、冷媒温度上昇判定手段１０１が冷媒温度を上昇する必要があると判定した場合に冷媒を冷媒バイパス流路２０に導入するバイパス流量制御手段１０３と、冷媒温度上昇判定手段１０１が冷媒温度を上昇する必要があると判定した場合で、かつ冷媒温度差演算手段１０２が演算した温度差が所定温度を越えていた場合に燃料電池スタック１を冷却する冷媒流量を増加させるポンプ制御手段１０４とからなる。
【００２１】
このように構成され、本発明は、温度センサ２３により燃料電池スタック１の入口での冷媒温度を検出し、検出した冷媒温度が所定温度を下回っている場合には、冷媒三方弁２１の開度を制御して冷媒を冷媒バイパス流路２０に導入して冷媒温度を上昇して、燃料電池スタック１の暖機を促進するものである。また、燃料電池スタック１の出入口での冷媒の温度差が所定温度以上の場合（つまり、排出される冷媒温度が高く、燃料電池が過温状態となり劣化の恐れがある場合）には、冷媒の燃料電池スタック１への供給流量を増大して冷媒の出入口の温度差を所定温度以下にするように制御して燃料電池の劣化を防止するものである。
【００２２】
次に図３のフローチャートを用いて、本発明の制御内容を説明する。このフローチャートの制御内容はコントローラ１４により行われるもので、燃料電池スタック１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）に実行される。
【００２３】
まず、ステップ１（以下、ステップを単にＳと示す。）では、温度センサ２３、２４により燃料電池スタック１の入口及び出口の冷媒温度を検出し、Ｓ２では、入口での冷媒温度が第１所定温度以下であるか否かを判定し、冷媒温度が第１所定温度以下であった場合には、Ｓ３で冷媒三方弁２１の目標開度をＡとし、一方、冷媒温度が第１所定温度を越えていた場合には、Ｓ４で冷媒三方弁２１の目標開度をＢとし、Ｓ５では、Ｓ３もしくはＳ４で設定した三方弁目標開度に冷媒三方弁２１の開度を制御する。冷媒三方弁２１の開度Ａ、Ｂについては後述する。
【００２４】
Ｓ６では、Ｓ１で検出した燃料電池スタック１での入口及び出口冷媒の温度差を演算する。通常、燃料電池スタック１の出口での冷媒温度が入口での冷媒温度より高くなる。そして、出入口での冷媒温度差が第２所定温度以上であるか否かを判定し、温度差が第２所定温度以上であると判定した場合には、燃料電池スタック１の劣化の恐れがあるため、Ｓ７で燃料電池スタック１への冷媒流量を増量補正する。また、Ｓ６で温度差が第２所定温度より低いと判定した場合には、そのまま制御を終了する。なお、燃料電池スタック１への冷媒流量の増量補正については後述する。
【００２５】
次に、冷媒三方弁２１の開度Ａ及びＢについて説明する。
【００２６】
まず、図４−ａに示すように温度センサ２３で検出した現在の燃料電池入口での冷媒温度がｓ´であるとき、冷媒三方弁２１の目標開度はＳ［％］となる。さらに、図４−ｂにあるように現在の燃料電池スタック１の発電量がｔ´であるときの冷媒三方弁２１の目標開度補正率はＴ［−］となる。したがって、冷媒三方弁２１の目標開度の最終値は以下のように演算される。
冷媒三方弁２１の目標開度最終値［％］＝Ｓ［％］×Ｔ［−］
さらに、燃料電池入口での冷媒温度が図４−ａにある目標温度ｓ［ｄｅｇＣ］以下であるときの冷媒三方弁２１の目標開度の最終値がＳ３で設定する冷媒三方弁２１の目標開度Ａであり、燃料電池入口での冷媒温度が目標温度ｓ［ｄｅｇＣ］を超えているときの冷媒三方弁２１の目標開度の最終値がＳ４で設定する冷媒三方弁２１の目標開度の最終値Ｂとなる。
【００２７】
つまり、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度が第１所定温度以下の場合には、より冷媒が冷媒バイパス流路２０に流れる開度である開度Ａとして、冷媒の放熱を抑制して燃料電池スタック１の昇温を促進する。一方、入口での冷媒温度が第１所定温度を越えている場合には、冷媒をより多くラジエータ１９に供給して冷媒の放熱を促し、燃料電池スタック１の供給される冷媒温度を低くし、燃料電ｔにスタック１の温度を低下させる。
【００２８】
次に、Ｓ７の燃料電池スタック１への冷媒流量の補正の一例について説明する。
【００２９】
図５−ａにあるように、予め実験などにより冷媒三方弁２１の開度と燃料電池スタック１の発電量と燃料電池スタック１の出入口での冷媒目標温度差を実現する冷媒流量の補正量との関係を求めておく。例えば、燃料電池スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｂ［％］であるときの冷媒流量の補正量がα［Ｌ／ｍｉｎ］であったとする。さらに、図５−ｂにあるように冷媒バイパス流路２０及び冷媒三方弁２１を使用しない場合の燃料電池スタック１の発電量と冷媒流量（ベース分）との関係から、燃料電池スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］である場合の燃料電池スタック１への冷媒流量を求め、それがβ［Ｌ／ｍｉｎ］であったとすると、増加補正量を加算した燃料電池スタック１への冷媒流量補正値γ［Ｌ／ｍｉｎ］は、
燃料電池冷媒流量補正値γ＝β＋α
となる。
【００３０】
なお、本実施例では冷媒三方弁２１の開度の単位を％としているが、ＳＴＥＰなどに置き換えても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
したがって、本発明では、燃料電池スタック１を冷却する冷媒を燃料電池スタック１の入口・出口での冷媒温度の差が第２所定温度以上の場合にはポンプ１７により冷媒流量を増加させ、出口での冷媒温度が過温とならないように燃料電池スタック１の入口・出口での冷媒の温度差で制御しているので、燃料電池スタック１を劣化させることなく燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【００３２】
また、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度が第２所定温度以下の場合には、冷媒が冷媒バイパス流路２０に多く流れるように冷媒三方弁２１の開度を制御するため、スタック１の入口での冷媒温度を昇温させ、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【００３３】
次に第２の実施形態を説明する。燃料電池システムの構成は、図６に示すように第１の実施形態に対して燃料電池スタック１に導入する冷媒の圧力を検出する圧力センサ２６を設置した点が異なり、他の構成は同じである。
【００３４】
図７に本実施形態でのコントローラ１４のブロック図を示す。
【００３５】
図中、冷媒温度上昇判定手段１０１は第１の実施形態の構成と同じであり、冷媒・ガス圧力差判定手段１０５は、燃料電池スタック１の入口での冷媒圧力とスタック１に流入するガス（水素、酸素）圧力を各センサ２６、１１、１３を用いて求め、冷媒圧力とガス圧力の差を演算し、その差が所定圧力以下かどうかを判定し、バイパス流量制御手段１０３は、冷媒温度上昇判定手段１０１の判定結果とスタック１の入口での冷媒圧力とガス圧力の差を演算する冷媒・ガス圧力差判定手段１０５の判定結果に基づいて冷媒バイパス流路２０の冷媒流量を制御する。
【００３６】
具体的には、燃料電池スタック１への冷媒の温度上昇を促進すると冷媒温度上昇判定手段１０１が判定した場合には、冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を増加させる。また、燃料電池スタック１の入口での冷媒圧力が所定圧力を上回っている場合には、冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少させる。さらに、燃料電池スタック１の入口の冷媒圧力とガス圧力との圧力差が所定圧力を下回っている場合には、冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少させる。
【００３７】
図８のフローチャートを用いて、燃料電池の運転方法についての処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）に実行される。
【００３８】
まずＳ１１からＳ１５までの処理内容は、図３に示すフローチャートのＳ１からＳ５と同じ処理内容であるので、説明を省略する。Ｓ１６では、燃料電池スタック１の入口の冷媒圧力を圧力センサ２６を用いて検出し、Ｓ１７では、Ｓ１６で検出した冷媒圧力が第１所定圧力以下か否かを判定し、第１所定圧力以下の場合には、Ｓ１８で燃料電池入口の水素及び酸化剤ガスの圧力を検出し、続くＳ１９では、Ｓ１６で検出した冷媒圧力とＳ１８で検出した燃料電池スタック１の入口ガス圧力との圧力差が第２所定圧力以上か否かを判定し、第２所定圧力以上の場合にはそのまま終了する。また、Ｓ１７で燃料電池スタック１の入口冷媒圧力が第１所定圧力を上回っている場合、およびＳ１９で燃料電池スタック１の入口冷媒圧力と燃料電池スタック１の入口ガス圧力との圧力差が第２所定圧力を下回っている場合には、Ｓ２０で冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒の流量が減少するように冷媒三方弁２１を制御し、終了する。
【００３９】
なお、Ｓ１５の冷媒三方弁２１の制御方法については図３のＳ５の制御方法と同じであるので説明は省略する。
【００４０】
次に、Ｓ２０の冷媒三方弁２１の冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を減少する制御方法の一例について説明する。
【００４１】
【燃料電池スタック１の入口冷媒圧力が上限値を上回る場合】
図９−ａにあるような予め実験などにより冷媒三方弁開度とスタック発電量と燃料電池入口冷媒圧力との関係を求め、コントローラ１４に記憶しておく。いま、スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｃ［％］であるときのスタック１の入口の冷媒圧力がδ［ｋＰａ］であったする。
【００４２】
この場合、スタック１の入口冷媒圧力上限値（Ｓ１７の第１所定圧力）δｌｍｔ［ｋＰａ］を上回っているので、冷媒三方弁２１の開度を冷媒圧力上限値δｌｍｔ［ｋＰａ］を満たすｃｌｍｔ［％］とする。これにより、冷媒はラジエータ１９に多く流れるようになり、冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を減少させ、入口での冷媒圧力を低減できる。
【００４３】
【スタック１の入口ガス・冷媒圧力差が下限値を下回る場合】
図９−ｂにあるような予め実験などにより冷媒三方弁２１の開度とスタック発電量と燃料電池入口ガス・冷媒圧力差との関係を求めておき、コントローラ１４に記憶しておく。いま、スタック発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｄ［％］であるときの燃料電池スタック１の入口ガス・冷媒圧力差がε［ｋＰａ］であったとする。この場合、ガス・冷媒圧力差下限値（Ｓ１９の第２所定圧力）εｌｍｔ［ｋＰａ］以下であるので、冷媒三方弁２１の開度をガス・冷媒圧力下限値εｌｍｔ［ｋＰａ］を満たすｄｌｍｔ［％］とする。このようにして、冷媒をより多くラジエータ１９に流すようにして冷媒バイパス流路２０への冷媒流量を減少させ、ガス・冷媒圧力差を第２所定圧力以上に制御する。
【００４４】
本実施形態では、燃料電池スタック１に流入する冷媒圧力が上限値を超えた場合、あるいは燃料電池スタック１に流入する冷媒の圧力と同じく流入するガス（水素、酸素）の圧力との差圧が下限値を下回る場合には、所定圧力となるように冷媒三方弁２１の開度を制御する、具体的には冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少させることにより、燃料電池スタック１の劣化を防止し、かつ燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【００４５】
次に第３の実施形態について説明する。この実施形態の燃料電池システムの構成は図１に示した第１の実施形態の構成と同じである。
【００４６】
図１０は本実施形態のコントローラ１４の制御ブロック図を示している。
【００４７】
コントローラ１４は、燃料電池スタック１の入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３が検出した温度が入力され、冷媒温度を上昇する必要があるかどうかを判定する冷媒温度上昇判定手段１０１と、燃料電池スタック１の出入口での冷媒温度を検出する温度センサ２３、２４が検出した温度の差を演算する冷媒温度差演算手段１０２と、冷媒温度上昇判定手段１０１が冷媒温度を上昇する必要があると判定した場合に冷媒を冷媒バイパス流路２０に導入するバイパス流量制御手段１０３とからなる。またバイパス流量制御手段１０３は、冷媒温度差演算手段１０２が演算した温度差が第３所定温度を超えている場合に冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少し、ラジエータ１９を流通する冷媒流量を増加するように制御する。
【００４８】
続いて図１１のフローチャートを用いて、実施形態の処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池スタック１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）にコントローラ１４により実行される。
【００４９】
Ｓ３１からＳ３５までの処理内容は、図３に示すフローチャートのＳ１からＳ５と同じ処理内容であるので説明を省略する。Ｓ３６では、燃料電池スタック１の出入口の冷媒の温度差が第３所定温度を以下か否かを判定し、第３所定温度以下の場合には、そのまま終了する。また、Ｓ３６で出入口冷媒温度差が第３所定温度を上回っている場合には、Ｓ３７に進み、Ｓ３７で冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒の流量が減少するように冷媒三方弁２１を制御し、終了する。
【００５０】
なお、Ｓ３５の冷媒三方弁２１の制御方法については前述のＳ５の制御方法と同じであるので説明は省略する。
【００５１】
次に、Ｓ３７の冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒流量を減少する冷媒三方弁２１の制御方法の一例について説明する。
【００５２】
図１２−ａにあるように、予め実験などにより冷媒三方弁２１の開度とスタック１の発電量とスタック１の出入口冷媒温度差との関係を求め、コントローラ１４に記憶しておく。いま、スタック１の発電量がａ４［ｋＷ］で冷媒三方弁２１の開度がｅ［％］であるときの燃料電池スタック１の出入口の冷媒温度差がζ［ｄｅｇＣ］であったとする。この場合、出入口の冷媒温度差上限値（Ｓ３６の所定値）ζｌｍｔ［ｄｅｇＣ］を上回っているので、冷媒三方弁２１の開度を燃料電池スタック１の出入口冷媒温度差上限値ζｌｍｔ［ｄｅｇＣ］を満たすｅ［％］とする。
【００５３】
このように本実施形態では、燃料電池スタック１の出入口での冷媒温度を検出し、その温度差が第３所定温度以上である場合には冷媒三方弁２１の開度を制御して、冷媒バイパス流路２０を流通する冷媒の流量を減少するため、燃料電池スタック１の劣化を防止し、かつ暖機を促進することができる。
【００５４】
図１３は、本発明の第４の実施形態の構成図であり、図１に示す構成に対して加湿器２の出口でのガス温度（実施形態では空気の温度）を検出する温度センサ２７を追加した構成である。
【００５５】
図１４は、この実施形態でのコントローラ１４の制御ブロック図である。図２に示したブロック図に対して変更された構成のみを説明すると、１０６は、燃料電池スタック１の入口冷媒温度と温度センサ２７が検出した改質器２の出口でのガス温度との温度差を演算する冷媒・ガス温度差演算手段であり、１０７は、演算した温度差が第４所定温度を上回っている場合には、純水純水バイパス流路２Ｂを流通して熱交換器２２をバイパスする純水流量が増加するように制御する熱交換器バイパス流量制御手段である。
【００５６】
次に図１５のフローチャートを用いて、本実施形態の処理内容を詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池スタック１の運転開始時より所定時間毎（例えば１０［ｍｓ］毎）にコントローラ１４により実行される。
【００５７】
Ｓ４１からＳ４５までの処理内容はＳ１からＳ５と同じ処理内容であるので省略する。Ｓ４６では、温度センサ２７により加湿器２の出口のガス温度（例えば空気温度）を検出し、Ｓ４７では、（加湿器２の出口ガス温度−スタック１の入口冷媒温度）を演算して、この演算結果（温度差）が第４所定温度以下か否かを判定し、第４所定温度以下の場合には、そのまま終了する。一方、温度差が第４所定温度を超えている場合には、Ｓ４８に進み、Ｓ４８で熱交換器２２をバイパスする純水の流量が増加するように純水三方弁２Ｃを制御し、終了する。
【００５８】
なお、Ｓ４５のラジエタバイパス用純水三方弁２Ｃの制御方法についてはＳ５の制御方法と同じであるので説明は省略する。
【００５９】
次に、Ｓ４８の純水の純水バイパス流路２Ｂを流通する純水流量を増加させる純水三方弁２Ｃの制御方法の一例について説明する。
【００６０】
図１６にあるように、加湿器２の出口ガス温度−燃料電池スタック１の入口の冷媒温度の演算結果が第４所定温度を上回った場合には、ガス加湿用の純水を純水バイパス流路２Ｂに多く流通するように制御し、加湿器２の出口ガス温度を低下させる。その制御方法としては、例えば、予め純水三方弁２Ｃの開度と純水バイパス流路２Ｂを流れる純水流量との関係を求め、目標温度差（加湿器２２の出口のガス温度−燃料電池スタック１の入口の冷媒温度）となるように純水三方弁２Ｃの開度をＰＩ制御する方法がある。
【００６１】
このように本実施形態においては、加湿器２の出口ガス温度と燃料電池スタック１の入口の冷媒温度との温度差が第４所定温度を越える場合には、加湿器２を循環する純水が熱交換器２２をバイパスするように制御するため、この温度差を所定温度内に制御でき、燃料電池スタック１内での凝縮水の生成を抑制でき、安定して高負荷まで発電することができる。
【００６２】
なお、第１から第４の実施形態に記載される加湿器２２の出口のガス温度は、前記ガス温度とほぼ同温度である加湿器２２の入口の純水温度で代用してもよい。また、第１から第４の実施形態に記載される冷媒三方弁２１と純水三方弁２Ｃを、バイパス及びサーモスタッドなどにより流路が切り換るアクチュエータで実現してもよい。
【００６３】
さらに第１から第４の実施形態に記載される燃料電池スタック１の冷媒流量は、例えば冷媒用ポンプ１７の駆動モータの回転数を制御することにより実現するものである。
【００６４】
これまでの説明では、燃料電池スタック１は暖機途中として説明したが、燃料電池スタック１の発熱量がラジエータ１９の放熱量を下回った場合など（例えば、高速走行時からのアクセルオフの場合など）、燃料電池スタック１の入口の冷媒温度の低下防止を要求する場合にも動作するものである。
【００６５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの構成図である。
【図２】コントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図３】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図４】冷媒三方弁の開度設定について説明する図である。
【図５】燃料電池スタックへの冷媒流量の補正を説明する図である。
【図６】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図７】コントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図８】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図９】冷媒三方弁開度と発電量と燃料電池スタック入口の冷媒圧力との関係を示す図である。
【図１０】第３の実施形態のコントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図１１】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図１２】冷媒三方弁開度と発電量と燃料電池スタックで入口温度差との関係を示す図である。
【図１３】第４の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図１４】コントローラの制御ブロックを説明する図である。
【図１５】コントローラの制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図１６】バイパス流路の流量増加による効果を説明する図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  加湿器
２Ａ  循環流路
２Ｂ  純水バイパス流路
２Ｃ  純水三方弁
３  コンプレッサ
４  水素タンク
５  エジェクタ
６  ポンプ
７  制御弁
８  パージ弁
９  制御弁
１０、１２  流量センサ
１１、１３  圧力センサ
１４  コントローラ
１７  ポンプ
１８  冷媒流路
１９  ラジエータ
２０  冷媒バイパス流路
２１  冷媒三方弁
２２  熱交換器
２３、２４、２５、２７  温度センサ
２６  圧力センサ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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