(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、大気圧の低下に伴う冷却系内でのキャビテーション、減圧沸騰の発生を抑制する。【解決手段】大気圧検出手段２５で検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合に、制御装置２６において冷却装置１３の冷却水温度制御を実行して、冷却水の温度を前記検出された大気圧検出値に応じて設定される温度に低下させるようにした。【選択図】  図１
2005183281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とに挟持された電解質膜、一方の面に燃料ガス通路が設けられた燃料極集電板、および一方の面に酸化剤ガス通路が設けられた酸化剤極集電板を有する単位セルを複数積層してなる燃料電池本体を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池本体の少なくともいずれか一方の集電板は、前記ガス通路を設けた面の他方の面に冷却水通路を設けた多孔集電であるとともに、
前記燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記冷却水通路に対し前記燃料電池本体に供給されるガスよりも低い圧力で冷却水を循環させる冷却水循環手段と、
大気圧を検出する大気圧検出手段と、
前記大気圧検出手段で検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合は、前記冷却水の温度を前記検出された大気圧検出値に応じて設定される温度まで低下させる冷却水温度制御を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とに挟持された電解質膜、一方の面に燃料ガス通路が設けられた燃料極集電板、および一方の面に酸化剤ガス通路が設けられた酸化剤極集電板を有する単位セルを複数積層してなる燃料電池本体を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池本体の少なくともいずれか一方の集電板は、前記ガス通路を設けた面の他方の面に冷却水通路を設けた多孔集電であるとともに、
前記燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記冷却水通路に対し前記燃料電池本体に供給されるガスよりも低い圧力で冷却水を循環させる冷却水循環手段と、
大気圧を検出する大気圧検出手段と、
前記大気圧検出手段で検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合は、前記検出された大気圧検出値に応じて設定される冷却水の流量まで増加させる冷却水流量制御を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とに挟持された電解質膜、一方の面に燃料ガス通路が設けられた燃料極集電板、および一方の面に酸化剤ガス通路が設けられた酸化剤極集電板を有する単位セルを複数積層してなる燃料電池本体を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池本体の少なくともいずれか一方の集電板は、前記ガス通路を設けた面の他方の面に冷却水通路を設けた多孔集電であるとともに、
前記燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記冷却水通路に対し前記燃料電池本体に供給されるガスよりも低い圧力で冷却水を循環させる冷却水循環手段と、
大気圧を検出する大気圧検出手段と、
前記冷却水の圧力を検出する冷却水圧力検出手段を備え、
前記検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合は、前記前記酸化剤ガスの供給圧力に対し一定値だけ低い圧力に設定された基準となる冷却水圧力に対し、前記検出された大気圧検出値に応じて設定される圧力であって、前記大気圧検出値に対応して前記酸化剤ガスの供給圧力を超えない範囲で設定される冷却水の圧力まで昇圧させる冷却水圧力制御を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記大気圧検出手段で検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合は、さらに、前記燃料電池本体の空気利用率が前記大気圧検出手段で検出された大気圧検出値に応じて設定される空気利用率となるように増大させる空気供給量制御を実行することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一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、燃料電池自動車やハイブリッド自動車などの移動体用電源として用いられる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率の電力供給源として開発が進められているさまざまな燃料電池システムのうち、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用い、燃料ガスおよび酸化剤ガスを大気圧に近い圧力で燃料電池本体に供給する、例えば大気圧運転型燃料電池システムは、簡略な構造で高い出力密度が得られ、且つ圧縮機などの補機損失を低い状態に維持して運転することが可能なことから、特に自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
従来の大気圧運転型の燃料電池システムにおいては、ガス通路と冷却水通路が多孔質集電板を介して隣接しているため、供給される冷却水の圧力は、圧力レギュレータにより供給されるガスの圧力（大気圧）より低い圧力、例えば３０ｋＰａだけ低い圧力に保持され、冷却水が必要以上にガス通路に移動しないように運転される（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３２４６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、自動車などの移動体は、その走行経路に高度差があり、時には２０００ｍを越える高地を走行することを想定しておく必要がある。大気圧には高度１０００ｍ毎に約１００ｍｂ程度低下する性質があり、大気圧に対し一定の圧力だけ低い圧力で冷却水を循環させる必要のある大気圧運転型燃料電池システムにおいては、大気圧の低下に伴って循環する冷却水の圧力が低下するため、循環ポンプ内部でキャビテーションが発生したり、あるいは冷却水循環系内で冷却水の減圧沸騰が生じる。したがって、燃料電池の冷却を十分に行えなくなるばかりでなく、冷却系部品が損傷を受け部品の寿命特性が著しく低下するという課題が発生する。また、酸化剤ガスとして例えば大気圧の空気が供給される燃料電池発電装置においては、大気圧の低下に伴って空気中の酸素分圧が低下することが原因となって燃料電池の出力が低下するため、高地で走行に必要な馬力が得られなくなるという事態が発生することも予想される。
【０００５】
これらを解決する一手段として、燃料電池の運転圧力（燃料ガス、および酸化剤ガス、および冷却水の供給圧力）を上昇させて運転する方法がある。しかしながら、昇圧運転時は、燃料電池の内部の圧力と周辺大気の圧力差が大きくなるため、その分燃料電池本体の耐圧力性能を向上させなければならず、燃料電池構造の複雑化、燃料電池本体の重量増大、大型化、コストの増大を招くことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とに挟持された電解質膜、一方の面に燃料ガス通路が設けられた燃料極集電板、および一方の面に酸化剤ガス通路が設けられた酸化剤極集電板を有する単位セルを複数積層してなる燃料電池本体を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池本体の少なくともいずれか一方の集電板は、前記ガス通路を設けた面の他方の面に冷却水通路を設けた多孔集電であるとともに、前記燃料電池本体の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記冷却水通路に対し前記燃料電池本体に供給されるガスよりも低い圧力で冷却水を循環させる冷却水循環手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段と、前記大気圧検出手段で検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合は、前記冷却水の温度を前記検出された大気圧検出値に応じて設定される温度まで低下させる冷却水温度制御を実行する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、上記請求項１の構成を備えた燃料電池システムであって、制御手段では、前記大気圧検出手段で検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合に、前記検出された大気圧検出値に応じて設定される冷却水の流量まで増加させる冷却水流量制御を実行することを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明は、上記請求項１の構成に、さらに  前記冷却水の圧力を検出する冷却水圧力検出手段を備え、制御手段では、前記検出された大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合に、前記前記酸化剤ガスの供給圧力に対し一定値だけ低い圧力に設定された基準となる冷却水圧力に対し、前記検出された大気圧検出値に応じて設定される圧力であって、前記大気圧検出値に対応して前記酸化剤ガスの供給圧力を超えない範囲で設定される冷却水の圧力まで昇圧させる冷却水圧力制御を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合には、冷却水温度制御を実行して、冷却水を所定の設定温度まで低下させるようにしたので、高地においても燃料電池の冷却水系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生を抑制しながら燃料電池を運転することができる。また、冷却水温度の低下に伴い、供給されるガス温度も低下するため、大気圧低下に伴う酸化剤ガスの酸素分圧の低下を補うことができ、高地における燃料電池の性能低下を抑制することができる。
【００１０】
請求項２の発明によれば、大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合には、冷却水流量制御を実行して冷却水の流量を増加させることにより、冷却水を所定の設定温度となるまで低下させるようにしたので、上記請求項１と同じ効果を得ることができる。とくに本発明においては、冷却水の流量を増大するように制御するため、燃料電池本体の冷却水入口と冷却水出口における冷却水の温度差が小さくなり、燃料電池本体をより均一に冷却することができるため、高地でも安定した燃料電池の運転を行うことができる。
【００１１】
請求項３の発明によれば、大気圧検出値が大気圧基準値より低い場合には、冷却水圧力制御を実行して冷却水の圧力を所定範囲で昇圧させることにより、冷却水を所定の設定温度となるまで低下させるようにしたので、上記請求項１と同じ効果を得ることができる。とくに本発明においては、冷却水の圧力を適宜に設定することにより、燃料電池の冷却水系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生をさらに抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係わる燃料電池システムを実施するための最良の形態を示す実施例として、本発明を移動体用燃料電池システムに適用した場合の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、実施例１に係わる燃料電池システムの概略構成図である。
【００１４】
燃料電池本体１は、単セルを複数積層して構成した燃料電池スタックである。単セルの構成例を図２に示す。高分子電解質膜３の両表面側には、アノード側電極となる燃料極４と、カソード側電極となる酸化剤極５とが高分子電解質膜３と一体に形成されている。燃料極４の外側の面には、燃料ガスとして水素に富む改質ガスの通路（以下、燃料ガス通路）６ａが設けられた多孔質導電性物質で形成された集電板６が配置されている。また酸化剤極５の外側の面には、酸化剤ガスとして空気の通路（以下、酸化剤ガス通路）７ａが設けられた多孔質導電性物質で形成された集電板７が配置されている。さらに、これら集電板６、７のガス通路が設けられた面の他方の面には、冷却水を通流させる冷却水通路６ｂ、７ｂが設けられている。これら高分子電解質膜３、燃料極４、酸化剤極５、および集電板６、７の積層体により単セル２が構成されている。そして、このような単セル２を電気絶縁板８を介して複数直列に積層することにより燃料電池本体１が構成されている。
【００１５】
ここで、燃料極側の集電板６の燃料ガス通路６ａには、燃料ガスとして水素に富む水素ガスが燃料ガス供給手段９から大気圧で供給され、酸化剤極側の集電板７の酸化剤ガス通路７ａには、ブロア１０から酸化剤ガスとして空気が大気圧で供給される。また両極の集電板６、７の冷却水通路６ｂ、７ｂには冷却水循環ポンプ１１により冷却水が供給され、熱交換により燃料電池本体１の運転温度を例えば８５℃程度に維持すると共に、両極の集電板を介して、通流するガスと冷却水の間で水分が移動することにより、両極を通流するガスの湿度が燃料電池の運転に最適な状態に維持される。この様に大気圧運転型の燃料電池システムにおいては、ガス通路と冷却水通路とが集電板を介して隣接しているため、供給される冷却水の圧力は、冷却水圧力レギュレータ１２により供給されるガスの圧力（大気圧）より低い圧力、例えば３０ｋＰａだけ低い圧力に保持され、冷却水が必要以上にガス通路に移動しないように運転される。
【００１６】
なお、燃料電池本体１の燃料極４から排出される未利用の燃料ガスはエゼクタポンプ２８を用いて再度燃料電池本体１の燃料極４へ循環供給され、燃料電池本体１の酸化剤極５から排出される未利用の空気（酸素）はそのまま大気中へ排出される。
【００１７】
また、燃料電池本体１を冷却する冷却装置（冷却水循環手段）１３は、燃料電池本体１と冷却水とで熱交換を行う熱交換部（冷却水通路６ｂ、７ｂに対応）１４と、冷却水循環ポンプ１１と、冷却水に含まれる気体成分を分離除去すると共に冷却水を貯蔵する気液分離器１５と、冷却水を外気により冷却するラジエータ１６とを備え、これらが上記の順に接続されると共に、熱交換部１４と冷却水循環ポンプ１１とを接続する冷却水循環管路１７に冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段１８を設け、気液分離器１５とラジエータ１６とを接続する冷却水循環管路１９に、ラジエータ１６をバイパスするバイパス管路２０を通流する冷却水の流量を制御するラジエータバイパス弁２１を設け、さらにラジエータ１６と熱交換部１４とを接続する冷却水循環管路２２に冷却水の圧力を制御する冷却水圧力レギュレータ１２を設けることにより構成される。
【００１８】
冷却水圧力レギュレータ１２の基準圧検知部１２Ａと気液分離器１５の気層部１５Ａは、燃料電池本体１の酸化剤極５に空気を供給するブロア１０および燃料電池本体１につながる空気供給管２３に接続されている。冷却水圧力レギュレータ１２の制御弁１２Ｂが燃料電池本体１に供給される空気の圧力に応じて制御されることにより、冷却水循環管路１７、２２を循環する冷却水の圧力は、燃料電池本体１に供給される空気の圧力に対してある一定の値、例えば３０ｋＰａだけ低くなるように保持される。また、大気側に開放されたブロア１０のブロア吸気管２４には大気圧検出手段２５が設けられている。
【００１９】
制御装置（制御手段）２６は、燃料電池システム全体を制御するコントローラであり、本実施例では、入力装置として、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段１８、および大気圧を検出する大気圧検出手段２５が接続されている。また、制御対象となる出力装置として、冷却水循環ポンプ１１、ラジエータバイパス弁２１、およびラジエータ冷却ファン２７が接続されている。
【００２０】
制御装置２６は、所定時間毎に上記入力装置での検出値を取り込み、この検出値に基づいて上記各出力装置に指令を送り、燃料電池システムの運転を制御する。本実施例における制御装置２６は、冷却水温度制御として、大気圧検出手段２５で検出された大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低い場合は、図４に示す大気圧−冷却水設定温度マップから大気圧検出値Ｐａに応じて設定される温度（冷却水設定温度）Ｔｓｅｔを検索し、冷却水温度Ｔｃｏｏｌが冷却水設定温度Ｔｓｅｔに保持されるように、ラジエータバイパス弁２１の開閉およびラジエータ冷却ファン２７のＯＮ−ＯＦＦを制御するようにしている。
【００２１】
次に、図３のフローチャートを参照しながら、制御装置２６による冷却水温度制御の動作について説明する。
【００２２】
図３は、実施例１の制御装置２６により実行される大気圧低下時の冷却水温度制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば３０秒毎）に繰り返し実行されている。
【００２３】
この冷却水温度制御ルーチンが実行されると、制御装置２６は、まずブロア吸気管２４に取り付けられた大気圧検出手段２５から大気圧検出値Ｐａを読み込み（ステップＳ１００）、読み込んだ大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いか否かを判断する（ステップＳ１０１）。ここで、大気圧基準値Ｐｏは、冷却水の設定温度を低下させて運転する必要があるか否かを判定するためのものであり、海面上における標準大気圧から大気圧検出手段の検出誤差、気温による補正等を減じた値に予め定められている。大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いときには、冷却水設定温度を低下させる必要があると判断して、まず冷却水循環管路１７に取り付けられた冷却水温度検出手段１８から冷却水温度Ｔｃｏｏｌを読み込み（ステップＳ１０２）、続いて図４に示す大気圧−冷却水設定温度マップから大気圧検出値Ｐａに対する冷却水設定温度Ｔｓｅｔを検索する（ステップＳ１０３）。次に、検出した冷却水温度Ｔｃｏｏｌが検索した冷却水設定温度Ｔｓｅｔより高いか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ここで、検出した冷却水温度Ｔｃｏｏｌが検索した冷却水設定温度Ｔｓｅｔより高い場合、制御装置２６はラジエータバイパス弁２１を閉じる処理を実行し（ステップＳ１０５）、バイパス管路２０を冷却水循環管路２２から切り離すことでバイパス管路２０を循環する冷却水の全量がラジエータ１６に通流するように制御する。この制御により、ラジエータ１６を介して冷却水からより多くの熱量が外気に放熱されるため、冷却水の温度が低下することになる。
【００２４】
また、ステップＳ１０４で、検出した冷却水温度Ｔｃｏｏｌが検索した冷却水設定温度Ｔｓｅｔ以下の場合には、ラジエータバイパス弁２１を開く処理を実行し（ステップＳ１０９）、バイパス管路２０を冷却水循環管路２２に接続して、循環する冷却水の全量がラジエータ１６を通流しないようにする。この処理により燃料電池本体１で加熱された冷却水の熱が外気に放熱されることがなくなるために冷却水温度が上昇し、燃料電池本体１が必要以上に冷却されることを防ぐことができる。
【００２５】
この後、再び冷却水温度Ｔｃｏｏｌを読み込み（ステップＳ１０６）、冷却水温度Ｔｃｏｏｌが冷却水設定温度Ｔｓｅｔにまで低下したかどうかを判断する（ステップＳ１０７）。ここで、冷却水温度Ｔｃｏｏｌが冷却水設定温度Ｔｓｅｔより高い場合には、ラジエータ冷却ファン２７をＯＮする制御を実行し（ステップＳ１０８）、ラジエータ１６を通過する風量を上昇させることで、さらに冷却水からの放熱を促進し冷却水の温度を低下させる。一方、冷却水温度Ｔｃｏｏｌが冷却水設定温度Ｔｓｅｔより低い場合には、ラジエータ冷却ファン２７をＯＦＦする制御を実行し（ステップＳ１１０）、冷却水の過冷却を防ぐとともに、ラジエータ冷却ファン２７の駆動電力を不必要に消費しないようにする。
【００２６】
以上の動作で本ルーチンを終了する。なお、ラジエータバイパス弁２１の開閉処理（ステップＳ１０５、およびステップＳ１０９）の後、ラジエータファンＯＮ−ＯＦＦ判定のための冷却水温度Ｔｃｏｏｌ読み込み処理（ステップＳ１０６）を実行するまでの間に、所定の時間、例えば２０秒間だけ遅れを持たせると、さらに不必要なラジエータ冷却ファン２７の駆動電力を消費せずに冷却水の温度を低下させる事ができる。
【００２７】
また、図示していないが、ステップＳ１０１において大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏ以上であると判断された場合は、ラジエータバイパス弁２１およびラジエータ冷却ファン２７の少なくとも一つ、あるいは両方を組み合わせて制御することにより、燃料電池を高効率かつ高出力な状態で運転できるように設定された冷却水温度Ｔｏに制御される。
【００２８】
以上の冷却水温度制御ルーチンを実行して冷却水温度を低下させた場合の、燃料電池の性能低下を抑制する効果を図５に沿って説明する。図５において、大気圧基準値Ｐｏにおける冷却水温度をＴｏ、燃料電池本体１の酸化剤極５の入口近傍での供給空気中の酸素分圧をＰｏ２−０とする。冷却水温度をＴｏとしたままで大気圧が低下すると、燃料電池本体１の酸化剤極入口近傍での供給空気中の酸素分圧はＰｏ２−ａｌｔまで低下してしまうため、燃料電池の出力が低下する。この出力低下は燃料電池の拡散分極が発生する高電流密度の領域においてより顕著となる。この状態から、上記のような制御を実行して冷却水温度をＴｓｅｔまで低下させると、燃料電池本体１の酸化剤極５に供給される空気の温度も低下するため、酸化剤極５の入口近傍での供給空気中の酸素分圧はＰｏ２−ｓｅｔまで上昇することになり、大気圧低下時に生じる燃料電池出力の低下を抑制することができる。
【００２９】
したがって、本実施例によれば、高地においても燃料電池の冷却系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生を抑制することができるとともに、大気圧低下に伴う供給空気中の酸素分圧の低下を補うことができるため、高地における燃料電池の性能低下を抑制することができる。
【実施例２】
【００３０】
次に、実施例１（図１）と同様に構成された燃料電池システムにおいて、制御装置２６による冷却水流量制御の動作を実施例２として説明する。
【００３１】
本実施例における制御装置２６は、冷却水流量制御として、大気圧検出手段２５により検出された大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低い場合は、図４に示す大気圧−冷却水設定温度マップから大気圧検出値Ｐａに応じて設定される冷却水設定温度Ｔｓｅｔを検索すると共に、図７に示す大気圧−ポンプ目標回転数マップをもとに冷却水流量Ｑが大気圧検出値Ｐａに応じて設定される循環流量Ｑｓｅｔとなるように冷却水循環ポンプ１１の回転数Ｒを制御して、冷却水温度Ｔｃｏｏｌが冷却水設定温度Ｔｓｅｔに保持されるようにしている。その他のシステム構成は、実施例１と同じなので説明を省略する。
【００３２】
図６は、実施例２の制御装置２６により実行される大気圧低下時の冷却水流量制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば５秒毎）に繰り返し実行されている。
【００３３】
この冷却水流量制御ルーチンが実行されると、制御装置２６は、まずブロア吸気管２４に取り付けられた大気圧検出手段２５から大気圧検出値Ｐａを読み込み（ステップＳ２００）、読み込んだ大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いか否かを判断する（ステップＳ２０１）。ここで、大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いときには、冷却水循環管路１７に取り付けられた冷却水温度検出手段１８から冷却水温度Ｔｃｏｏｌを読み込み（ステップＳ２０２）、続いて図４に示す大気圧−冷却水設定温度マップから大気圧検出値Ｐａに対する冷却水設定温度Ｔｓｅｔを検索する（ステップＳ２０３）。次に、検出した冷却水温度Ｔｃｏｏｌが検索した設定温度Ｔｓｅｔより高いか否かを判断する（ステップＳ２０４）。ここで、検出した冷却水温度Ｔｃｏｏｌが検索した設定温度Ｔｓｅｔより高い場合、制御装置２６は冷却水循環ポンプ１１の回転数（ポンプ回転数Ｒ）を、図７に示すＲｓｅｔに上昇させる処理を実行し（ステップＳ２０５）、本ルーチンを終了する。
【００３４】
これにより、冷却水の循環流量がＱｓｅｔまで増大し、冷却水温度がＴｓｅｔまで低下すると共に、図８に示すように、燃料電池本体１の入口冷却水温度と出口冷却水温度の差ΔＴｆｃが減少するため、実施例１と同様の効果に加えて、燃料電池本体１内の温度分布がより均一となり、燃料電池を安定して運転する事ができる。
【００３５】
一方、ステップＳ２０４において、検出した冷却水温度Ｔｃｏｏｌが検索した設定温度Ｔｓｅｔ以下の場合、制御装置２６は冷却水循環ポンプ１１の回転数を低下させ（ステップＳ２０６）、本ルーチンを終了する。
【００３６】
また、図示していないが、ステップＳ２０１において大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏ以上であると判断された場合は、冷却水循環ポンプ１１を制御することにより、燃料電池を高効率かつ高出力な状態で運転できるように設定された冷却水流量Ｑｏに制御される。
【００３７】
したがって、本実施例によれば、高地においても燃料電池の冷却系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生を抑制することができるとともに、大気圧低下に伴う供給空気中の酸素分圧の低下を補うことができるため、高地における燃料電池の性能低下を抑制することができる。とくに、本実施例においては、燃料電池本体の入口冷却水温度と出口冷却水温度の差が小さくなり、燃料電池本体をより均一に冷却することができるため、高地でも安定した燃料電池の運転を行うことができる。
【実施例３】
【００３８】
次に、実施例３について説明する。図９は、実施例３に係わる燃料電池システムの概略構成図である。
【００３９】
本実施例では、燃料電池本体１の熱交換部１４と冷却水循環ポンプ１１とを接続する冷却水循環管路１７に冷却水圧力検出手段２９を設けると共に、ブロア１０と気液分離器１５の気層部１５Ａと燃料電池本体１の酸化剤極５に連通する空気供給管２３に供給空気圧力検出手段３０を設け、さらに図１の冷却水圧力レギュレータ１２に換えて、図示しないステップモータで駆動され多段階の開度調節が可能な冷却水圧力調整弁３１を設けた構成としている。
【００４０】
本実施例における制御装置２６は、冷却水圧力制御として、大気圧検出手段２５により検出された大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低い場合は、図１１に示す大気圧−冷却水補正設定圧力マップから大気圧検出値Ｐａに応じて設定される冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔを検索すると共に、冷却水圧力検出手段２９で検出される冷却水圧力Ｐｃｏｏｌが冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔとなるように冷却水圧力調整弁３１の開閉を制御して、冷却水温度Ｔｃｏｏｌが冷却水設定温度Ｔｓｅｔに保持されるようにしている。ただし、冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔは、図１１に示すように、供給空気圧力（図中一点鎖線）に対し一定値だけ低い圧力に設定された冷却水基準設定圧力（図中破線）に対し、大気圧検出値Ｐａに対応して供給空気圧力を超えない範囲で設定される冷却水補正設定圧力（図中実線）から検索される。その他のシステム構成は実施例１と同じであり、同等部分には同一符号を付している。
【００４１】
図１０は、実施例３の制御装置２６により実行される大気圧低下時の冷却水圧力制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば１秒毎）に繰り返し実行されている。
【００４２】
この冷却水圧力制御ルーチンが実行されると、制御装置２６は、まずブロア吸気管２４に取り付けられた大気圧検出手段２５から大気圧検出値Ｐａを読み込み（ステップＳ３００）、読み込んだ大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いか否かを判断する（ステップＳ３０１）。ここで、大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いときには、まず冷却水循環管路１７に取り付けられた冷却水圧力検出手段２９から冷却水圧力Ｐｃｏｏｌを読み込む処理を実行し（ステップＳ３０２）、続いて図１１に示す大気圧−冷却水設定圧力マップから大気圧検出値Ｐａに対する冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔを検索する（ステップＳ３０３）。次に、検出した冷却水圧力Ｐｃｏｏｌが検索した冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔより高いか否かを判断する（ステップＳ３０４）。ここで、検出した冷却水圧力Ｐｃｏｏｌが検索した冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔより低い場合、制御装置２６は冷却水圧力調整弁３１を１段階開く処理を実行し（ステップＳ３０５）、本ルーチンを終了する。一方、検出した冷却水圧力Ｐｃｏｏｌが検索した設定圧力Ｐｓｅｔ以上である場合、制御装置２６は冷却水圧力調整弁３１を１段階閉じる処理を実行し（ステップＳ３０６）、本ルーチンを終了する。
【００４３】
本実施例では図１１に示すように、冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔは、供給空気圧力検出手段３０で検出される供給空気圧力を超えない範囲で大気圧が低くなればなるほど高くなるように設定されているため、実施例１と同様の効果に加えて、燃料電池本体１の内部での湿度コントロールのバランスを極力崩すことなしに冷却水循環ポンプ１１のキャビテーションあるいは、冷却水循環系内での減圧沸騰を回避することできる。
【００４４】
また、図示していないが、ステップＳ３０１において大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏ以上であると判断された場合は、冷却水圧力調整弁３１を制御することにより燃料電池を高効率かつ高圧力な状態で運転できるように設定された冷却水圧力Ｐｃｏｏｌに制御される。
【００４５】
したがって、本実施例によれば、高地においても燃料電池の冷却系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生を抑制することができるとともに、大気圧低下に伴う供給空気中の酸素分圧の低下を補うことができるため、高地における燃料電池の性能低下を抑制することができる。とくに、本実施例においては、冷却水設定圧力Ｐｃｏｏｌ−ｓｅｔを適宜に設定することにより、燃料電池の冷却水系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生をさらに抑制することができる。
【実施例４】
【００４６】
次に、実施例４について説明する。図１２は、実施例４に係わる燃料電池システムの概略構成図である。
【００４７】
本実施例では、制御装置２６に、燃料電池本体１の負荷を検出する負荷検出回路と、ブロア１０の回転数を制御する制御回路（いずれも図示せず）を追加した構成としている。
【００４８】
本実施例における制御装置２６は、上記実施例１に記載した冷却水温度制御に加えて、空気供給量制御として、大気圧検出手段により検出された大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低い場合は、図１４に示す大気圧、冷却水温度−燃料電池出口近傍酸素分圧マップから、大気圧検出値Ｐａに応じて設定される設定空気利用率Ｕｓｅｔを検索すると共に、燃料電池本体１の負荷等から算出した空気利用率Ｕａが設定空気利用率Ｕｓｅｔとなるようにブロア１０の回転数を制御している。その他のシステム構成は実施例３と同じであり、同等部分に同一符号を付している。
【００４９】
図１３は、実施例４の制御装置２６により実行される大気圧低下時の空気供給量制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば１秒毎）に繰り返し実行されている。
【００５０】
この空気供給量制御ルーチンが実行されると、制御装置２６は、まずブロア吸気管２４に取り付けられた大気圧検出手段２５から大気圧検出値Ｐａを読み込み（ステップＳ４００）、読み込んだ大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いか否かを判断する（ステップＳ４０１）。ここで、大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏより低いときには、まず冷却水循環管路１７に取り付けられた冷却水圧力検出手段２９から冷却水温度Ｔｃｏｏｌを読み込む処理を実行し（ステップＳ４０２）、図４に示す大気圧−冷却水設定温度マップから大気圧検出値Ｐａに対する冷却水設定温度Ｔｓｅｔを検索する（ステップＳ４０３）。続いて、例えば実施例１に記載したような冷却水温度制御を実行して、冷却水温度Ｔｃｏｏｌを冷却水設定温度Ｔｓｅｔに低下させる（ステップＳ４０４）。
【００５１】
次に、制御装置２６は燃料電池本体１の負荷、およびブロア１０の回転数を検出し（ステップＳ４０５、Ｓ４０６）、これらの検出値から空気利用率Ｕａを算出する（ステップＳ４０７）。続いて、図１４に示す大気圧、冷却水温度−燃料電池出口近傍酸素分圧マップ（空気利用率マップ）から、大気圧検出値Ｐａに対する設定空気利用率Ｕｓｅｔを検索する（ステップＳ４０８）。次に、ステップＳ４０７で算出した空気利用率Ｕａが設定空気利用率Ｕｓｅｔより高いか否かを判断する（ステップＳ４０９）。ここで、算出した空気利用率Ｕａが設定空気利用率Ｕｓｅｔより高い場合、制御装置２６はブロア１０の回転数を上昇する処理を実行し（ステップＳ４１０）、本ルーチンを終了する。一方、算出した空気利用率Ｕａが設定空気利用率Ｕｓｅｔ以上である場合、制御装置２６はブロア１０の回転数を低下させる処理を実行し（ステップＳ４１１）、本ルーチンを終了する。ここで、図１４に示すように、設定空気利用率Ｕｓｅｔは、大気圧基準値Ｐｏ且つ基準となる冷却水温度Ｔｏにおける燃料電池出口近傍の酸素分圧と同等、あるいは同等に近づくように設定されており、大気圧低下に伴う燃料電池本体１の酸化剤極における酸素濃度の低下を抑制して、高地での燃料電池の出力低下を回避することができる。
【００５２】
また、図示していないが、ステップＳ４０１において大気圧検出値Ｐａが大気圧基準値Ｐｏ以上であると判断された場合は、ブロア１０の回転数等を制御することにより燃料電池の出力に応じた冷却水温度および空気利用率で運転できるように制御される。
【００５３】
したがって、本実施例によれば、高地においても燃料電池の冷却系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生を抑制することができるとともに、大気圧低下に伴う供給空気中の酸素分圧の低下を補うことができるため、高地における燃料電池の性能低下を抑制することができる。とくに本実施例においては、冷却水温度制御と空気供給量制御とを組み合わせて制御するようにしたので、より標高の高い地域でも燃料電池の冷却系でのキャビテーション、減圧沸騰の発生を確実に抑制することができると共に、さらに安定した運転を持続させることができる。
【００５４】
上記空気供給量制御ルーチンでは、ステップＳ４０４において、実施例１に記載したような冷却水温度制御を実行する例について示したが、この冷却水温度制御に換えて、実施例２に記載した冷却水流量制御や、実施例３に記載した冷却水圧力制御と組み合わせてもよい。
【００５５】
さらに、実施例１に記載した冷却水温度制御、実施例２に記載した冷却水流量制御、ならびに実施例３に記載した冷却水圧力制御のいずれか２つ以上を組み合わせて運転するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施例１に係わる燃料電池システムの概略構成図。
【図２】単セルの構成図。
【図３】実施例１における冷却水温度制御ルーチンを示すフローチャート。
【図４】大気圧−冷却水設定温度マップを示す説明図。
【図５】冷却水温度−燃料電池入口近傍酸素分圧の関係を示す説明図。
【図６】実施例２における冷却水流量制御ルーチンを示すフローチャート。
【図７】大気圧−ポンプ目標回転数マップを示す説明図。
【図８】冷却水流量、冷却水温度と燃料電池出口−入口冷却水温度差との関係を示す説明図。
【図９】実施例３に係わる燃料電池システムの概略構成図。
【図１０】実施例３における冷却水圧力制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１１】大気圧−冷却水設定圧力マップを示す説明図。
【図１２】実施例４に係わる燃料電池システムの概略構成図。
【図１３】実施例４における空気供給量制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１４】大気圧、冷却水温度−燃料電池出口近傍酸素分圧マップを示す説明図。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池本体
２…単セル
３…高分子電解質膜
４…燃料極
５…酸化剤極
６、７…集電板
６ａ…燃料ガス通路
６ｂ、７ｂ…冷却水通路
７ａ…酸化剤ガス通路
８…電気絶縁板
９…燃料ガス供給手段
１０…ブロア
１１…冷却水循環ポンプ
１２…冷却水圧力レギュレータ
１２Ａ…基準圧検知部
１２Ｂ…制御弁
１４…熱交換部
１５…気液分離器
１５Ａ…気層部
１６…ラジエータ
１７…冷却水循環管路
１８…冷却水温度検出手段
１９…冷却水循環管路
２０…バイパス管路
２１…ラジエータバイパス弁
２２…冷却水循環管路
２３…空気供給管
２４…ブロア吸気管
２５…大気圧検出手段
２６…制御装置
２７…ラジエータ冷却ファン
２８…エゼクタポンプ
２９…冷却水圧力検出手段
３０…供給空気圧力検出手段
３１…冷却水圧力調整弁
【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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