(57)【要約】【課題】  本発明は、燃料の消費を必要最小限に抑えながら燃料電池システム内の水の凍結を防止できる。【解決手段】  本発明の燃料電池システムは、複数のセルスタックを有する燃料電池と、燃料電池により蓄電され、セルスタックを稼動させるための補機類を起動させるための電力及び実負荷に電力を供給する蓄電手段とを有している。更に、本発明の燃料電池システムは、実負荷状態監視手段と機内温度検出手段と制御手段とを有している。実負荷状態監視手段は実負荷の稼動状態を監視する。また、機内温度検出手段は燃料電池システム内の機内温度を検出する。更に、制御手段は、実負荷状態監視手段によって実負荷の稼動状態が停止であることを確認し、かつ機内温度検出手段によって検出した機内温度が所定温度以下となった場合、複数のセルスタックの内少なくとも１つのセルスタックを稼動させる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルスタックを有する燃料電池と、該燃料電池により蓄電され、前記セルスタックを稼動させるための補機類を起動させるための電力及び実負荷に電力を供給する蓄電手段とを有する燃料電池システムにおいて、
前記実負荷の稼動状態を監視する実負荷状態監視手段と、
燃料電池システム内の機内温度を検出する機内温度検出手段と、
前記実負荷状態監視手段によって前記実負荷の稼動状態が停止であることを確認し、かつ前記機内温度検出手段によって検出した機内温度が所定温度以下となった場合、複数の前記セルスタックの内少なくとも１つの前記セルスタックを稼動させる制御手段と
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、前記機内温度の温度変化に応じて、稼動させる前記セルタックの個数を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記機内温度が前記所定温度より高い上限温度を超えた場合稼動していた前記セルスタックを停止させる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記機内温度検出手段によって検出した機内温度が前記所定温度以下となった場合の前記セルスタックの稼動のための前記補機類の起動は前記蓄電手段から供給される電力で行い、前記セルスタックが稼動した後の前記補機類の稼動は前記セルスタックによって発電する電力で行う請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記補機類を前記セルスタックの近傍に実装する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セルスタックと前記補機類を一括に断熱材で覆い、該断熱材の内部に前記機内温度検出手段を設置する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、全ての前記セルスタックが稼動状態にあっても前記所定温度以下になるまで燃料電池システムは停止させない請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記実負荷状態監視手段によって前記実負荷の稼動状態が停止であることを確認した時点で前記実負荷への給電を停止する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記セルスタックの出力電圧を監視する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記実負荷への給電電圧を監視する請求項１又は９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記セルスタックの出力電圧と前記実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて前記実負荷への給電を停止する請求項１、９又は１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記セルスタックの出力電圧と前記実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて前記実負荷への給電を停止する際、前記実負荷の最終動作を確認した後に前記実負荷への給電を停止する請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記セルスタックの出力電圧と前記実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて異常状態を検出した場合当該異常状態を報知する請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
複数のセルスタックを有する燃料電池と、該燃料電池により蓄電され、前記セルスタックを稼動させるための補機類を起動させるための電力及び実負荷に電力を供給する蓄電手段とを少なくとも有する燃料電池システムの稼動制御方法において、
前記実負荷の稼動状態が停止状態となった場合、燃料電池システム内の機内温度を検出し、検出した機内温度が所定温度以下となった場合、複数の前記セルスタックの内少なくとも１つの前記セルスタックを稼動することを特徴とする燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項１５】
前記機内温度の温度変化に応じて、稼動させる前記セルタックの個数を制御する請求項１４記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項１６】
前記機内温度が前記所定温度より高い上限温度を超えた場合稼動していた前記セルスタックを停止させる請求項１４又は１５に記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項１７】
前記機内温度が前記所定温度以下となった場合の前記セルスタックの稼動のための前記補機類の起動は前記蓄電手段から供給される電力で行い、前記セルスタックが稼動した後の前記補機類の稼動は前記セルスタックによって発電する電力で行う請求項１４記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項１８】
全ての前記セルスタックが稼動状態にあっても前記所定温度以下になるまで燃料電池システムは停止させない請求項１４記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項１９】
前記実負荷の稼動状態が停止であることを確認した時点で前記実負荷への給電を停止する請求項１４記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項２０】
前記セルスタックの出力電圧を監視する請求項１４記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項２１】
前記実負荷への給電電圧を監視する請求項１４又は２０に記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項２２】
前記セルスタックの出力電圧と前記実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて前記実負荷への給電を停止する請求項１４、２０又は２１のいずれかに記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項２３】
前記セルスタックの出力電圧と前記実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて前記実負荷への給電を停止する際、前記実負荷の最終動作を確認した後に前記実負荷への給電を停止する請求項２２記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【請求項２４】
前記セルスタックの出力電圧と前記実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて異常状態を検出した場合当該異常状態を報知する請求項１４〜２３のいずれかに記載の燃料電池システムの稼動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの稼動制御方法に関し、詳細には実負荷の停止状態時に、燃料電池内部での水が凍結することを防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおける燃料電池では、電気化学反応に伴って水が発生する。また、燃料電池に供給する水素を生成するために水蒸気改質反応を利用する場合にも燃料電池に供給する水素含有ガス中に所定量の水蒸気が含まれる。そのため、燃料電池の内部温度が０℃以下になると、燃料電池内部での水が凍結してしまう可能性がある。もし環境温度が０℃以下であるときに燃料電池の発電を停止した場合、燃料電池内部で、特にガス流路内で水が凍結してしまうと、凍結した水がガス流路を塞いでしまい、燃料電池を起動しようとしたときにガスの供給ができず、電気化学反応が不十分となってしまう。そのため、従来より燃料電池内部での水の凍結を防止する提案がいくつかなされている。その一つとしての特許文献１には、始動スイッチから停止指示が出力されると、燃料電池スタック内の温度を検出し、ある温度以下になった場合、保温運転を開始し、ある温度以上になった場合、保温運転を停止する燃料電池システムが提案されている。
【特許文献１】特開２００４-３４２４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１では、燃料電池内部における水の凍結を防止するために燃料電池システム全体を稼動させており、燃料電池スタックの容量が大きくなるほど燃料を大量に消費するという問題点があった。
【０００４】
本発明はこの問題点を解決するためのものであり、燃料の消費を必要最小限に抑えながら燃料電池システム内の水の凍結を防止できる燃料電池システム及び燃料電池システムの稼動制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記問題点を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数のセルスタックを有する燃料電池と、この燃料電池により蓄電され、前記セルスタックを稼動させるための補機類を起動させるための電力及び実負荷に電力を供給する蓄電手段とを有している。更に、本発明の燃料電池システムは、実負荷状態監視手段と機内温度検出手段と制御手段とを有している。実負荷状態監視手段は実負荷の稼動状態を監視する。また、機内温度検出手段は燃料電池システム内の機内温度を検出する。更に、制御手段は、実負荷状態監視手段によって実負荷の稼動状態が停止であることを確認し、かつ機内温度検出手段によって検出した機内温度が所定温度以下となった場合、複数のセルスタックの内少なくとも１つのセルスタックを稼動させる。よって、最小限のセルスタックの発熱により燃料の消費を必要最小限に抑えながら燃料電池システム内の水の凍結を防止できる燃料電池システムを提供することができる。
【０００６】
また、制御手段は機内温度の温度変化に応じて稼動させるセルタックの個数を制御することにより、機内温度の温度変化に応じた最小限個数のセルスタックを稼動させて燃料の消費を必要最小限に抑えながら凍結防止を行うことができる。
【０００７】
更に、制御手段は機内温度が所定温度を超えた場合稼動したセルスタックを停止させることにより、凍結防止のために使用される燃料の消費を抑えることができる。
【０００８】
また、機内温度検出手段によって検出した機内温度が所定温度以下となった場合のセルスタックの稼動のための補機類の起動は蓄電手段から供給される電力で行い、セルスタックが稼動した後の補機類の稼動はセルスタックによって発電する電力で行う。よって、凍結防止のために使用される燃料の消費を抑えることができる。
【０００９】
更に、機内温度検出手段によって検出した機内温度が所定温度以下となった場合稼動させるセルスタックの近傍に補機類を実装することにより、セルスタックによって発生する熱を効率良く補機類に伝導することができる。
【００１０】
また、セルスタックと補機類を一括に断熱材で覆い、この断熱材の内部に機内温度検出手段を設置することにより、セルスタックによって発生する熱を外部に逃がすことなく、効率良く補機類に伝導することができる。
【００１１】
更に、制御手段は全てのセルスタックが稼動状態にあっても所定温度以下になるまで燃料電池システムは停止させないことが好ましい。
【００１２】
また、制御手段は実負荷状態監視手段によって実負荷の稼動状態が停止であることを確認した時点で実負荷への給電を停止することにより、凍結防止による燃料消費を抑え、無駄な電量消費を抑えることができる。
【００１３】
更に、制御手段はセルスタックの出力電圧を監視することにより、また実負荷への給電電圧を監視することにより、燃料電池システムが起動した際に出力電圧が正常であることを確認できる。
【００１４】
また、制御手段はセルスタックの出力電圧と実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて実負荷への給電を停止することにより、燃料電池システムの異常状態であると判断し実負荷を停止できる。
【００１５】
更に、制御手段はセルスタックの出力電圧と実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて実負荷への給電を停止する際実負荷の最終動作を確認した後に実負荷への給電を停止する。よって、実負荷を停止させる際に異常状態で停止しないようにできる。
【００１６】
また、制御手段はセルスタックの出力電圧と実負荷への給電電圧の監視結果に基づいて異常状態を検出した場合当該異常状態を報知することにより、オペレータに対して燃料電池システムの異常状態を知らせることができる。
【００１７】
更に、別の発明としての燃料電池システムの稼動制御方法によれば、実負荷の稼動状態が停止状態となった場合燃料電池システム内の機内温度を検出し、検出した機内温度が所定温度以下となった場合、複数のセルスタックの内少なくとも１つのセルスタックを稼動することに特徴がある。また、機内温度の温度変化に応じて稼動させるセルタックの個数を制御する。よって、燃料の消費を必要最小限に抑えながら燃料電池システム内の水の凍結を防止できる。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、燃料の消費を必要最小限に抑えながら燃料電池システム内の水の凍結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の第１の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム１は、燃料電池ユニット２と二次電池３とDC/DCコンバータ４と逆流防止用ダイオード５と燃料電池制御部６と表示部７と機内温度センサ８とを含んでシステムを構築している。なお、本実施の形態例の燃料電池システム１には、制御系回路１１と駆動系回路１２と実負荷制御回路１３とを有する実負荷１０が接続されている。
【００２０】
そして、燃料電池ユニット２は、並列に接続された二次電池３と共にDC/DCコンバータ４を介して実負荷１０に電力を供給する。二次電池３は、燃料電池ユニット２により充電される。また、逆流防止用ダイオード５は、二次電池３側から燃料電池ユニット２側への電流の逆流を防止する。更に、燃料電池制御部６は、DC/DCコンバータ４の実負荷１０側から電源供給を受け、燃料電池システム１全体の動作を制御する。表示部７は、低温エラーなどを表示する機能をもつ。機内温度センサ８は、燃料電池システム１内の温度を検出する。図示していない補機類は、燃料電池ユニット２のセルスタック部２０を稼動させるために必要とするポンプやブロワなどの構成要素である。
【００２１】
次に、図２は図１の燃料電池ユニットの構成を示すブロック図である。同図に示す燃料電池ユニット２は、セルスタック部２０と燃料タンク２１と水タンク２２と循環タンク２３と、燃料ポンプ２４と水ポンプ２５と循環ポンプ２６とブロワ２７と、FC1バルブ２８とFC2バルブ２９とFC3バルブ３０と、FC1濃度センサ３１とFC2濃度センサ３２とFC3濃度センサ３３と、FC1温度センサ３４とFC2温度センサ３５とFC3温度センサ３６と、燃料タンク液面センサ３７と水タンク液面センサ３８と循環タンク液面センサ３９と、ラジエータ４０とラジエータFAN４１と排気処理部４２と排水タンク４３と排水タンク液面センサ４４とを有し、高濃度の燃料を希釈して循環させる希釈循環型ダイレクトメタノール（DMFC; Direct Methanol Fuel Cells）方式によって発電する燃料電池ユニットである。
【００２２】
そして、図１のセルスタック部２０は、図２の第１のセルスタック(以下FC1と称す)５０と第２のセルスタック(以下FC2と称す)５１と第３のセルスタック(以下FC3と称す)５２とエンドプレート５３とを有している。FC2５１は、各エンドプレート５３を間に挟んでFC1５０とFC3５２との間に配置され、単独で制御部を動作させることができる最小限の電力を供給する。
【００２３】
また、各セルスタックはアノードとカソードと電解質膜とを有している。アノードは燃料極とも呼ばれ、燃料を電気化学的酸化する触媒（メタノール酸化電極触媒）を有している。カソードは空気極とも呼ばれ、酸素を選択的に電気化学的還元する触媒（酸素還元電極触媒）を有している。電解質膜は、アノードとカソードとの間に挟みこまれている。アノードに燃料が供給され、かつカソードに空気が供給されると、電解質膜を通じてイオンが移動し、アノード側で二酸化炭素が発生するとともにカソード側で水が発生し、結果としてアノードとカソードとの間に電圧が発生する。このように、セルスタックは、アノードに供給される物質とカソードに供給される物質との酸化還元反応を利用して電力を発生させる。
【００２４】
更に、燃料タンク２１は、高濃度メタノールを貯蔵している。水タンク２２は、水を貯蔵している。循環タンク２３は、高濃度メタノールを水で希釈した希釈メタノール燃料を貯蔵している。セルスタック部２０内での反応すなわち発電によりカソード側で発生した水は、循環タンク２３に戻され高濃度メタノールの濃度を希釈するための希釈水として使用される。循環タンク２３内に送られた生成水の一部は、余分な水として二酸化炭素とともに、水タンク２２に排出される。燃料ポンプ２４は、燃料タンク２１から循環タンク２３に燃料を送液する。水ポンプ２５は、水タンク２２から循環タンク２３に水を送液する。循環ポンプ２６は、循環タンク２３からFC1５０、FC2５１及びFC3５２に希釈メタノール燃料を送液する。ブロワ２７は、FC1５０、FC2５１及びFC3５２に空気を送り込む。
【００２５】
また、FC1バルブ２８は、開閉により循環タンク２３からFC1５０に送液される希釈メタノール燃料の流量を調整する。FC2バルブ２９は、開閉により循環タンク２３からFC2５１に送液される希釈メタノール燃料の流量を調整する。FC3バルブ３０は、開閉により循環タンク２３からFC3５２に送液される希釈メタノール燃料の流量を調整する。
【００２６】
更に、FC1濃度センサ３１、FC2濃度センサ３２、FC3濃度センサ３３は、それぞれ、FC1５０、FC2５１、FC3５２内の燃料濃度を検出している。FC1温度センサ３４、FC2温度センサ３５、FC3温度センサ３６は、それぞれ、FC1５０、FC2５１、FC3５２内の温度を検出している。燃料タンク液面センサ３７は、燃料タンク２１内に貯蔵された高濃度メタノールの液面の位置を検出する。水タンク液面センサ３８は、水タンク２２内に貯蔵された水の液面の位置を検出する。循環タンク液面センサ３９は、循環タンク２３内に貯蔵された希釈メタノール燃料の液面の位置を検出する。
【００２７】
また、ラジエータ４０は、セルスタック部２０から排出された水蒸気を水に戻し、水タンク２２に貯める。ラジエータFAN４１は、ラジエータ４０で熱交換に必要な空気を送風する。ラジエータ４０で水回収できなかった水蒸気は水タンク２２と排気処理部４２と排水タンク４３とを経由して大気に放出される。排気処理部４２は、ラジエータ４０で水回収できなかった水蒸気を回収する。排水タンク４３は、排気処理部４２で回収された水を貯水する。排水タンク液面センサ４４は、排水タンク４３の液面の位置を検出する。
【００２８】
更に、図１の燃料電池制御部６は、DC/DCコンバータ４を介して燃料電池ユニット２及び二次電池３からの電源供給により自身を動作させるとともに、燃料電池ユニット２の補機類に電源を供給し、各種信号を送受信する。燃料電池制御部６及び燃料電池ユニット２の補機類は、稼動開始時には二次電池３から電源供給を受ける。ここで、図１の燃料電池制御部６と図２の燃料電池ユニット２の各構成部との制御システムの構成図である図３に示すように、燃料電池制御部６は、図２の燃料電池ユニット２の各構成部以外に、負荷状態確認部６３と燃料電池稼動タイマ６４とに接続されている。
【００２９】
ここで、負荷状態確認部６３は、図１の実負荷１０に設けられた制御系回路１１から電源スイッチのオン／オフを示す負荷状態確認信号を入力することにより、実負荷１０の機械が停止状態であるかを検出する。具体的には、負荷状態確認信号は、制御系回路の電源電圧Vccの分圧値で形成され、実負荷１０の電源スイッチがオンの状態で制御系回路の電源電圧Vccが高くなるとＨ状態となり、実負荷１０の電源スイッチがオフの状態で制御系回路の電源電圧Vccが低くなるとＬ状態となる。よって、負荷状態確認部６３は、負荷状態確認信号がＬ状態であることを検出すると実負荷１０の機械が停止状態であることを検出する。なお、負荷状態確認部６３は、実負荷１０と通信するなどにより負荷の停止状態および動作状態を示すコマンドを検知するなど、他の構成を持つものであってもよい。燃料電池稼動タイマ６４は、カウントアップすることにより燃料電池制御部６の時間計測に利用される。このように、燃料電池制御部６は、燃料電池ユニット２を制御することにより一般的な発電動作と凍結防止動作とを実行する。
【００３０】
先ず、燃料電池制御部６の燃料電池ユニット２に対する一般的な発電動作について説明する。燃料電池制御部６は、循環ポンプ２６を連続稼動させて循環タンク２３からセルスタック部２０に希釈メタノール燃料を絶えず送液させるとともに、ブロワ２７からセルスタック部２０に常に空気を送り込ませることにより、セルスタック部２０内で連続して燃料と酸素とを反応させて発電する。セルスタック部２０内で発生した電圧は、燃料電池システム用制御基板や補機類の電源並びに負荷電源として使用され、燃料電池ユニット２は自律運転動作にはいる。
【００３１】
そして、燃料電池制御部６は、循環タンク液面センサ３９により循環タンク２３内の希釈メタノール燃料の量が少ないことを検出すると、水ポンプ２５を間欠動作させ、水タンク２２から循環タンク２３内に水を送り込み、循環タンク２３内の希釈メタノール燃料の量を一定に保つ。燃料電池制御部６は、FC1濃度センサ３１、FC2濃度センサ３２、またはFC3濃度センサ３３により検出されるセルスタック部２０内の燃料の濃度変化から高濃度メタノールの供給時間を決定し、燃料ポンプ２４を間欠に稼動させることにより燃料タンク２１から高濃度メタノールを循環タンク２３へ送液する。これにより、セルスタック部２０での反応すなわち発電によりメタノールが消費され、循環タンク２３内の希釈メタノール燃料の濃度が次第に薄くなっても、循環タンク２３内のメタノール濃度を濃くし、常に一定に維持することができる。
【００３２】
次に、本実施の形態例の燃料電池システムにおける凍結防止動作を含む稼動制御動作について、図４の動作フローに従って説明する。はじめに、燃料電池システム機内温度（Ｔ℃）は、図１及び図３の機内温度センサ８により、常時監視されている（ステップＳ１０１）。また、図２の循環タンク２３の液面が適正値であるかを図２及び図３の循環タンク液面センサ３９により監視して、適正値でなければ図２及び図３の水ポンプ２５をオンにして（ステップＳ１０２；ＮＯ、ステップＳ１０３）図２の循環タンク２３に水を送り込み、液面を高くして循環タンク２３の液面を適正値にする（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）。そして、図１の実負荷１０の機械が停止していればＬレベルの実負荷状態確認信号が検出されるか否かを図３の負荷状態確認部６３によって監視し（ステップＳ１０４）、Ｌレベルの負荷状態確認信号が検出されず、実負荷１０が動作していることを示すＨレベルの実負荷状態確認信号が検出されると（ステップＳ１０４；ＮＯ）、燃料電池システム１の立ち上がり動作を開始し（ステップＳ１０５）、実負荷１０への給電を開始する（ステップＳ１０６）。一方、Ｌレベルの負荷状態確認信号が検出されると（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）、燃料電池制御部６は、機内温度センサ８により検出した燃料電池システム１の機内温度（Ｔ℃）が凍結危険温度である氷点温度＋α℃以下であるかを監視する（ステップＳ１０７）。
【００３３】
ここで、燃料電池システム１は、各構成部品を接続する廃液パイプ、循環パイプ、廃液ポンプや循環ポンプ２６類など、水を多く保有する凍結可能性部品を含んでいる。この凍結可能性部品は、内部の水が凍って体積が膨張することにより破損する恐れがある。凍結危険温度は、水の凍る温度である氷点温度から高温側にマージンαをとった氷点温度＋α℃の温度であり、凍結可能性部品内部の水が凍ることで体積が膨張し、凍結可能性部品やセルスタックなどの破損につながる危険性がある温度にいくらかの余裕を持たせて設定された温度である。
【００３４】
次に、燃料電池制御部６は、負荷状態確認信号がＬレベルであって、燃料電池システム１の機内温度が凍結危険温度に達していることを検出すると（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）、図２及び図３のFC2バルブ２９のみを開き、循環ポンプ２６による希釈メタノール燃料の供給を開始させ、図２及び図３のブロワ２７による空気の供給を開始させ、図２及び図３のラジエータFAN４１を動作開始させるなどのFC2の稼動準備を行う（ステップＳ１０８）。準備が整えば、燃料電池制御部６は、図２及び図３のFC2濃度センサ３２によりFC2５１内の燃料濃度が適正値以上であるか検出する（ステップＳ１０９）。燃料電池制御部６は、FC2５１内の燃料濃度が適正値に満たない場合には、図２及び図３の燃料ポンプ２４を一定時間動作させて循環タンク２３内の燃料の濃度を高める（ステップＳ１０９；ＮＯ、ステップＳ１１０）。FC2５１内の燃料濃度が適正値以上になることにより、FC2５１が稼動状態となる（ステップＳ１０９；ＹＥＳ、ステップＳ１１１）。FC2５１が発電を開始することにより、反応熱が放熱され、燃料電池システム１内の温度が上昇する。なお、凍結防止動作において最初に複数（本実施の形態例では３個）のセルスタックの内FC2５１を稼動させる理由は、図２に示すように、FC2５１がFC1５０とFC3５２の間に設けられているため、FC2５１が稼動して発熱すれば当該発熱による熱が隣接するFC1５０とFC3５２に加熱されて燃料電池稼動時において稼動効率が向上するためであるが、最初に稼動させるセルスタックをFC2５１に限定する必要はなく、任意のセルスタックでもよい。
【００３５】
次に、燃料電池制御部６は、図３の燃料電池稼動タイマ６４をリセットしてカウントを開始させる（ステップＳ１１２）。燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達したか判定する（ステップＳ１１３）。燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達すると（ステップＳ１１３；ＹＥＳ）、燃料電池システム１の機内温度（Ｔ℃）が機内温度上限値（氷点温度＋β℃）に達しているか検出する（ステップＳ１１４）。機内温度上限値は、水の凍る温度０℃である氷点から高温側にマージンβをとった氷点温度＋β℃の温度であり、上記凍結危険温度よりも高温に設定されている。
【００３６】
そして、燃料電池制御部６は、機内温度センサ８の温度が機内温度上限値に達すると（ステップＳ１１４；ＹＥＳ）、FC2バルブ２９を閉じ、循環ポンプ２６を停止し、ブロワ２７を停止し、ラジエータFAN４１を停止させることにより、FC2５１の稼動を停止させ（ステップＳ１１５）、再度ステップＳ１０４に戻り、負荷状態確認信号の監視工程から繰り返し、燃料電池システム１の機内温度が凍結危険温度に達しているかを監視する。このように、機内温度センサ８の温度が機内温度上限値に達すると発電を停止することにより、凍結を防止する動作に消費される燃料を極力抑えることができる。
【００３７】
一方、燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達し（ステップＳ１１３；ＹＥＳ）、かつ機内温度センサ８の温度が機内温度上限値に達していないと（ステップＳ１１４；ＮＯ）、FC1バルブ２８を開き、FC1の稼動準備を行う（ステップＳ１１６）。準備が整えば（ステップＳ１１６；ＹＥＳ）、燃料電池制御部６は、FC1濃度センサ３１によりFC1５０内の燃料濃度が適正値以上であるか検出する（ステップＳ１１７）。燃料電池制御部６は、FC1５０内の燃料濃度が適正値に満たない場合には、燃料ポンプ２４を一定時間動作させて循環タンク２３内の燃料の濃度を高める（ステップＳ１１７；ＮＯ、ステップＳ１１８）。FC1５０内の燃料濃度が適正値以上になることにより、FC1５０が稼動状態となる（ステップＳ１１７；ＹＥＳ、ステップＳ１１９）。FC1５０が発電を開始することにより、反応熱が放熱され、燃料電池システム１内の温度が更に上昇する。このように、燃料電池制御部６は、機内温度が機内温度上限値に達していないことを検出することにより、機内温度が更に氷点温度に近づいていたり、機内温度の上昇量が少ないことを検出し、徐々に開けるバルブを多くすることにより、稼動するセルスタックの数を増し、発熱量を上げることができる。
【００３８】
次に、燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４をリセットしてカウントを開始させる（ステップＳ１２０）。燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達したか判定する（ステップＳ１２１）。燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達すると（ステップＳ１２１；ＹＥＳ）、燃料電池システム１の機内温度が機内温度上限値に達しているか検出する（ステップＳ１２２）。燃料電池制御部６は、機内温度センサ８の温度が機内温度上限値に達していると（ステップＳ１２２；ＹＥＳ）、FC1バルブ２８及びFC2バルブ２９を閉じ、循環ポンプ２６を停止し、ブロワ２７を停止し、ラジエータFAN４１を停止させることにより、FC1５０及びFC2５１の稼動を停止させ（ステップＳ１２３）、再度ステップＳ１０４に戻り、負荷状態確認信号の監視工程から繰り返し、燃料電池システム１の機内温度が凍結危険温度に達しているかを監視する。
【００３９】
一方、燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達し（ステップＳ１２１；ＹＥＳ）、かつ機内温度センサ８の温度が機内温度上限値に達していないと（ステップＳ１２２；ＮＯ）、FC3バルブ３０を開き、FC3の稼動準備を行う（ステップＳ１２４）。準備が整えば（ステップＳ１２４；ＹＥＳ）、燃料電池制御部６は、FC3濃度センサ３３によりFC3５２内の燃料濃度が適正値以上であるか検出する（ステップＳ１２５）。燃料電池制御部６は、FC3５２内の燃料濃度が適正値に満たない場合には、燃料ポンプ２４を一定時間動作させて循環タンク２３内の燃料の濃度を高める（ステップＳ１２５；ＮＯ、ステップＳ１２６）。FC3５２内の燃料濃度が適正値以上になることにより、FC3５２が稼動状態となる（ステップＳ１２５；ＹＥＳ、ステップＳ１２６）。FC3５２が発電を開始することにより、反応熱が放熱され、燃料電池システム１内の温度がより一層上昇する。
【００４０】
次に、燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４をリセットしてカウントを開始させる（ステップＳ１２８）。燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達したか判定する（ステップＳ１２９）。燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達すると（ステップＳ１２９；ＹＥＳ）、燃料電池システム１の機内温度が機内温度上限値に達しているか検出する（ステップＳ１３０）。燃料電池制御部６は、機内温度センサ８の温度が機内温度上限値に達していると（ステップＳ１３０；ＹＥＳ）、FC1バルブ２８、FC2バルブ２９及びFC3バルブ３０を閉じ、循環ポンプ２６を停止し、ブロワ２７を停止し、ラジエータFAN４１を停止させることにより、FC1５０、FC2５１及びFC3５２の稼動を停止させ（ステップＳ１３１）、再度ステップＳ１０４に戻り、負荷状態確認信号の監視工程から繰り返し、燃料電池システム１の機内温度が凍結危険温度に達しているかを監視する。
【００４１】
そして、燃料電池制御部６は、燃料電池稼動タイマ６４のカウント値がカウント終了値に達し（ステップＳ１２９；ＹＥＳ）、かつ機内温度センサ８の温度が機内温度上限値に達していないと（ステップＳ１３０；ＮＯ）、図１の表示部７に低温エラーであることを知らせる表示、例えば「低温ERROR」と表示する（ステップＳ１３２）。
【００４２】
上述したように、第１の実施の形態例の燃料電池システムによれば、凍結の危険がある場合にセルスタック数を徐々に増やしながら機内温度を上昇させるため、最小限の燃料で凍結を防止することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態例の燃料電池システム１は、FC2５１、FC1５０、FC3５２の順に発電を開始させたが、他の順序で発電を開始するものであってもよい。また、本実施の形態例の燃料電池システム１は、セルスタックの発電を１ずつ開始させたが、複数のセルスタックの発電を同時に開始するものであってもよい。更に、本実施の形態例並びに後述する他の実施の形態例においても同様であるが、各セルスタックの稼動制御を、上述したような燃料供給制御で、具体的にはFC1バルブ２８、FC2バルブ２９及びFC3バルブ３０の開閉制御により行なっているがこれに限定する必要はなく、各セルスタックの稼動制御を、例えばブロワ２７から各セルフタックへの空気供給を制御するバルブをそれぞれ設けることによる空気供給制御で行ってもよい。
【００４４】
また、凍結可能性部品は、図５の（ａ）のセルスタック部２０付近の拡大図に示すように、最初に稼動するFC2５１の近傍の領域５４に実装する。燃料電池制御部６は、凍結防止を目的として機内温度を機内温度上限値までしか上昇させないため、凍結可能性部品が燃料電池システム１内に分散して配置される場合には熱の伝わりが悪く凍結する恐れがあるが、FC2５１の近傍の領域５４に凍結可能性部品を実装することにより、凍結可能性部品の凍結防止効果をより確実にすることができる。
【００４５】
更に、凍結防止効果を高めるため、図５の（ｂ）のセルスタック部２０付近の断面図に示すように、凍結可能性部品５５及びセルスタック部２０を同一の断熱材５６（保温材）で覆い、セルスタック部２０の発熱が外気に逃げることなく、凍結可能性部品５５に効率良く伝導することが望ましい。また、機内温度センサ８は、燃料電池システム１内部を暖めすぎないようにして無駄な燃料消費を防ぐため、断熱材５６で覆われた凍結可能性部品５５類近傍の内部の温度を測定することが望ましい。
【００４６】
図６は本発明の第２の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム７０は、燃料電池ユニット２と二次電池３とDC/DCコンバータ４と逆流防止用ダイオード５と燃料電池制御部６と表示部７と発電時用DC/DCコンバータ７１と待機時用DC/DCコンバータ７２と電源遮断スイッチ７３と駆動系電源遮断スイッチ７４と制御電源切り替えスイッチ７５と待機時用二次電池７６と逆流防止用ダイオード７７と抵抗７８とを含んでシステムを構築している。なお、本実施の形態例の燃料電池システム７０には、制御系回路１１と駆動系回路１２と実負荷制御回路１３とを有する実負荷１０が接続されている。
【００４７】
そして、燃料電池ユニット２は、並列に接続された二次電池３とともにDC/DCコンバータ４を介して実負荷１０に電力を供給する。FC1５０、FC2５１及びFC3５２は、順に直列接続され、逆流防止用ダイオード５を介して全出力に対して並列に接続された二次電池３を充電する。
【００４８】
また、待機時用二次電池７６は、DC/DCコンバータ４と制御系回路１１との間で、制御電源切り替えスイッチ７５よりも制御系回路１１側に設けられており、DC/DCコンバータ４側に接続されて充電されるとともに、待機時用DC/DCコンバータ７２側に接続されて燃料電池制御部７９に電源供給する。なお、待機時用二次電池７６は、キャパシタにより代替されてもよく、二次電池とキャパシタとの組み合わせで構成されていてもよい。逆流防止用ダイオード７７は、DC/DCコンバータ４と制御系回路１１との間に配置され、待機時用二次電池７６からDC/DCコンバータ４への逆流を防止する。
【００４９】
更に、電源遮断スイッチ７３は、オン状態となることにより二次電池３から燃料電池制御部７９に電源供給し、オフ状態となることにより二次電池３から燃料電池制御部７９への電源供給を遮断する。駆動系電源遮断スイッチ７４は、オン状態となることによりDC/DCコンバータ４から駆動系回路１２及び実負荷制御回路１３に電源供給し、オフ状態となることにより駆動系回路１２及び実負荷制御回路１３への電源供給を遮断する。制御電源切り替えスイッチ７５は、オン状態となることにより待機時用二次電池７６から燃料電池制御部７９に電源供給し、オフ状態となることにより待機時用二次電池７６から燃料電池制御部７９への電源供給を遮断する。
【００５０】
また、抵抗７８は、二次電池３から発電時用DC/DCコンバータ７１までの配線上に加えられている。FC3５２で発電される電圧と、二次電池３から与えられる電圧とが異なるため、抵抗７８は、両電圧差が発電時用DC/DCコンバータ７１の入力電圧仕様を満足する値にしている。なお、FC3５２で発電される電圧と、二次電池３から与えられる電圧との差が、発電時用DC/DCコンバータ７１の入力電圧仕様を満足している場合には、抵抗７８は不要である。また、抵抗７８に替えて電圧レギュレータを用いてもよい。
【００５１】
更に、燃料電池制御部６は、発電時用DC/DCコンバータ７１を介してFC3５２から電源供給され、抵抗７８、電源遮断スイッチ７３及び発電時用DC/DCコンバータ７１を介して二次電池３から電源供給され、待機時用DC/DCコンバータ７２及び制御電源切り替えスイッチ７５を介して待機時用二次電池７６から電源供給される。
【００５２】
また、燃料電池制御部６は、図６の燃料電池制御部６と図２の燃料電池ユニット２の各構成部との制御システムの構成図である図７に示すように、図２の燃料電池ユニット２の各構成部及び図６の各構成部以外に、負荷状態確認部６３と燃料電池稼動タイマ６４とに接続されている。燃料電池制御部６は、燃料電池システム２を制御することにより一般的な発電方法と凍結防止方法とを実行する。なお、燃料電池制御部６がFC1５０、FC2５１、及びFC3５２を動作させるために補機類に出力される信号は、第１の実施の形態例と同様であるから、それぞれ、FC1コントロール信号、FC2コントロール信号、FC3コントロール信号と称して簡潔に説明する。FC1コントロール信号、FC2コントロール信号、及びFC3コントロール信号は、オン状態となることにより、それぞれ、FC1５０、FC2５１、及びFC3５２を稼動させ、オン状態となることにより、FC1５０、FC2５１、及びFC3５２の稼動を停止させる。
【００５３】
次に、第２の実施の形態例の燃料電池システムにおける凍結防止動作を含む稼動制御動作について、図８の動作フローに従って説明する。はじめに、燃料電池制御部６は、燃料電池システム１の負荷が停止状態にあるか検出する（ステップＳ２０１）。ここで、燃料電池システム７０は、電源遮断スイッチ７３がオン状態であり、負荷状態確認部６３で検出された実負荷状態確認信号がＬレベルであり、かつ機内温度センサ８で検出された機内温度が凍結危険温度以下である場合に、燃料電池制御部７９の負荷が停止状態にあり、更に凍結危険状態にあると判断する。
【００５４】
そして、燃料電池システム７０は、燃料電池制御部６の負荷が停止状態にあることを検出すると、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態に切り替え（ステップＳ２０２）、FC3コントロール信号をオン状態とすることにより補機類を稼動させ、FC3５２による発電及び発熱を開始させる（ステップＳ２０３）。制御系回路１１のみに電源供給を行い、駆動系回路１２及び実負荷制御回路１３への電源供給を遮断することにより、発電した電力の消費を抑えることができる。FC3５２からDC-DCコンバータを介して燃料電池制御部７９に安定電圧が供給されることにより、燃料電池制御部６が安定して動作する。
【００５５】
次に、燃料電池システム７０は、FC3５２による発電を開始してから一定時間経過後、燃料電池ユニット２の自律運転が可能であるか判断する（ステップＳ２０４）。燃料電池システム７０は、FC3温度センサ３６により検出されるFC3５２の温度が狙いの値に達していれば、燃料電池ユニット２の自律運転が可能であると判定する。なお、燃料電池システム１は、セルスタックの出力電圧を監視して燃料電池ユニット２の自律運転が可能であるかどうか判定するものなど他の構成によるものであってもよい。なお、最初に発電動作に入る１個のFC3５２は、単独の発電電圧で燃料電池システム７０を稼動する能力をもつ。
【００５６】
燃料電池システム７０は、燃料電池ユニット２の自律運転が可能である場合には、電源遮断スイッチ７３をオフ状態に切り替える（ステップＳ２０５）。電源遮断スイッチ７３がオフ状態に切り替わることにより、二次電池３から燃料電池制御部６への電源供給が遮断され、FC3５２からの電源供給のみで燃料電池制御部６が動作する。駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態とし、制御電源切り替えスイッチ７５をオン状態とすることにより、電源遮断スイッチ７３をオフ状態に切り替える際に、二次電池３から一時的に制御系回路１１、駆動系回路１２及び実負荷制御回路１３へ電源供給されることを極力防止し、次回起動を含めた二次電池３の電力消費を極力抑える。
【００５７】
次に、燃料電池システム７０は、所定時間温度上昇を待ち（ステップＳ２０６）、機内温度センサ８により機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃以上であるか検出し（ステップＳ２０７）、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃以上であれば（ステップＳ２０７；ＹＥＳ）、FC3コントロール信号をオフ状態にすることにより補機類を全て停止させ、燃料電池ユニット２を停止状態とする（ステップＳ２０８）。よって、燃料電池ユニット２を停止状態とすることにより、燃料消費を抑えることができる。一方、燃料電池システム７０は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃未満である場合には（ステップＳ２０７；ＮＯ）、FC2コントロール信号をオン状態とすることにより補記類９を稼動させ、FC2５１による発電及び発熱を開始させる（ステップＳ２０９）。
【００５８】
次に、燃料電池システム７０は、所定時間温度上昇を待ち（ステップＳ２１０）、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃以上であるか検出し（ステップＳ２１１）、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃以上であれば（ステップＳ２１１；ＹＥＳ）、FC3コントロール信号及びFC2コントロール信号をオフ状態にすることにより補機類を全て停止させ、燃料電池ユニット２を停止状態とする（ステップＳ２０８）。一方、燃料電池システム７０は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃未満である場合には（ステップＳ２１１；ＮＯ）、FC1コントロール信号をオン状態とすることにより補記類９を稼動させ、FC1５０による発電及び発熱を開始させる（ステップＳ２１２）。
【００５９】
次に、燃料電池システム７０は、所定時間温度上昇を待ち（ステップＳ２１３）、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃以上であるか検出し（ステップＳ２１４）、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃以上であれば（ステップＳ２１４；ＹＥＳ）、FC3コントロール信号、FC2コントロール信号、及びFC1コントロール信号をオフ状態にすることにより補機類を全て停止させ、燃料電池ユニット２を停止状態とする（ステップＳ２０８）。一方、燃料電池システム７０は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃に達していないと（ステップＳ２１４；ＮＯ）、図６の表示部７に低温エラーであることを知らせる表示、例えば「低温ERROR」と表示する（ステップＳ２１５）。
【００６０】
このように、本実施の形態例の燃料電池システム７０は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃以上となると、燃料電池システム７０の機内温度が凍結危険温度に低下するまで待動作に入る。この時、FC3５２における発電が停止することにより、FC3５２から制御系回路１１及び燃料電池制御部６への電源供給が遮断される。一方、待機時用二次電池７６から制御系回路１１及び燃料電池制御部６へ電源供給されることにより、燃料電池制御部６を動作させることができる。待機時用二次電池７６は、制御系電源ラインに並列に実装されているため、セルスタック部２０の稼動中に充電される。待機時用二次電池７６に充電する場合、定電流回路を設け、過充電から保護する必要があることはいうまでもない。
【００６１】
また、本実施の形態例の燃料電池システム７０によれば、実負荷１０が停止状態である場合に実負荷１０への待機電力や不要な電力の供給を遮断することにより、実負荷１０が停止状態である場合に発生する消費電力を抑え、最小限の電力でセルスタック部２０の発電動作を維持し、凍結防止方法を実行する際のセルスタック部２０への負担を軽減することができる。
【００６２】
なお、第２の実施の形態例の燃料電池システム７０は、図９の別のシステム構成図に示すように、FC1５０とFC2５１とFC3５２とを並列に接続したものであってもよい。このようにセルスタックを並列に接続する場合、各セルスタックに逆流防止用ダイオード５を設ける。二次電池３と各セルスタックの電圧は同じであるため図６の抵抗７８や電圧レギュレータなどを設けていない。
【００６３】
図１０は本発明の第３の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム８０は、FC1５０、FC2５１及びFC3５２を並列に接続した構成に、更に機内ヒータ８１とタップ８２と機内ヒータ用温度センサ８３と温度ヒューズ８４とヒータオン/オフスイッチ８５とFC1電圧監視部８６とFC2電圧監視部８７とFC3電圧監視部８８とを備え、第２の実施形態の電源遮断スイッチ７３と燃料電池制御部７９と機能の異なる電源遮断スイッチ８９とを備える。なお、第１の実施の形態例又は第２の実施の形態例の構成要素と同じ構成要素には同じ番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に説明する。
【００６４】
そして、機内ヒータ８１は、FC1５０、FC2５１及びFC3５２の周囲に配置され、セルスタック部２０から電源供給されて発熱する発熱部材である。機内ヒータ８１は、セルスタック自身を温めて各セルスタックの立ち上がり時間を短縮するため、各セルスタックを包むように実装し、あるいは各セルスタックが連結した状態で作られている場合などには各セルスタックの間に挟みこむように実装されていることが好ましい。タップ８２は、機内ヒータ８１の負荷の大きさを切り替えることにより、発熱量を可変する。具体的には、セルスタック部２０におけるセルスタックの稼動個数が少ないほど、容量を少なくし発電量を抑えるように制御される。機内ヒータ用温度センサ８３は、機内ヒータ８１の温度を検出する。温度ヒューズ８４は、CPUの制御暴走などの何らかのトラブルにより機内ヒータ８１が暴走し、高温状態や高温に伴うシステム内部部品への破壊などを引き起こす危険な状態になった場合に、機内ヒータ８１への給電を遮断することにより機内ヒータ８１の高温発熱を防止する保護回路として機能する。
【００６５】
また、ヒータオン/オフスイッチ８５は、オン状態となることにより燃料電池ユニット２から機内ヒータ８１に電源供給し、オフ状態となることにより燃料電池ユニット２から機内ヒータ８１への電源供給を遮断する。FC1電圧監視部８６は、FC1５０の電圧を検出する。FC2電圧監視部８７は、FC2５１の電圧を検出する。FC3電圧監視部８８は、FC3５２の電圧を検出する。電源遮断スイッチ８９は、オン状態となることにより二次電池３から燃料電池制御部６に電源供給し、オフ状態となることにより二次電池３から燃料電池制御部６への電源供給を遮断し、かつセルスタック部２０から機内ヒータ８１に電源供給する。
【００６６】
そして、燃料電池制御部６は、図１１のブロック図に示すように、図２の燃料電池ユニット２の各構成部及び図１０の各構成部以外に、負荷状態確認部６３と燃料電池稼動タイマ６４とに接続されている。燃料電池制御部６は、燃料電池システム８０を制御することにより一般的な発電方法と、第２の実施の形態例と同様の凍結防止方法を実行する。燃料電池制御部６が、最初にFC3５２を稼動させ、燃料電池ユニット２の自律運転が可能であると判断された場合に、電源遮断スイッチ８９をオフ状態に切り替えると、セルスタック部２０からの電源供給が機内ヒータ８１側に切り替わり機内ヒータ８１による発熱が開始される点で第２の実施の形態例と異なる。
【００６７】
また、燃料電池制御部６は、機内ヒータ８１により発熱を開始して一定時間経過後、機内ヒータ用温度センサ８３で検出した機内ヒータ８１の温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達しているか検出し、機内ヒータ８１の温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達していない場合、ヒータオン/オフスイッチ８５をオフ状態に切り替えることにより機内ヒータ８１への給電を遮断し、表示部７に機内ヒータ８１の断線やセンサ異常の可能性が高いことを表示し、オペレータなどに報知する。機内ヒータ８１に給電を開始した後、一定時間経過しても機内ヒータ８１の温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達しない場合には、機内ヒータ８１の断線や機内ヒータ用温度センサ８３が異常であると判断できるためである。この際、燃料電池制御部６と機内ヒータ用温度センサ８３とが協働して異常検出部として機能する。なお、燃料電池制御部６は、機内ヒータ８１への給電を遮断する際でも燃料電池ユニット２は危険な状態ではないと判断できるため、凍結危険温度以下となるまでセルスタック部２０の稼動を継続する。なお、燃料電池制御部６は、機内ヒータ用温度センサ８３で検出した機内ヒータ８１の温度が、ある一定の温度（安全温度）以上に達すると、ヒータオン/オフスイッチ８５をオフ状態に切り替える。
【００６８】
このような第３の実施の形態例の燃料電池システム８０によれば、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃に至るまでに複数のセルスタックを稼動させる場合、最初に稼動させるセルスタックで燃料電池制御部６の稼動をまかなった後、その後に稼動するセルスタックで発電する電力を機内ヒータに有効に利用することができる。
【００６９】
図１２は本発明の第４の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム９０は、第３の実施の形態例の燃料電池システム８０に、更に、負荷供給電圧監視部９１を備え、第３の実施の形態例のFC1電圧監視部８６、FC2電圧監視部８７及びFC3電圧監視部８８に代えて、FC電圧監視部９２を備えている。なお、第１の実施の形態例、第２の実施の形態例、または第３の実施の形態例の構成要素と同じ構成要素には同じ番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に説明する。なお、実負荷１０は、制御系回路１１、駆動系回路１２、実負荷制御回路１３、表示部９３を備えている。
【００７０】
そして、負荷供給電圧監視部９１は、二次電池３の電圧を２つの抵抗９４により分圧し、分圧した電圧値の変化を負荷供給電圧監視信号として検出する。負荷供給電圧監視信号の変化を監視することにより、二次電池３の出力電圧の変化を監視することができる。FC電圧監視部９２は、セルスタック部２０の出力電圧を検出する。
【００７１】
そして、燃料電池制御部６は、図１３のブロック図に示すように、図２の燃料電池ユニット２の各構成部及び図１２の各構成部以外に、負荷状態確認部６３と氷点温度＋β℃記憶部９４とに接続されている。燃料電池制御部６は、燃料電池システム９０を制御することにより一般的な発電方法と、第３の実施の形態例と異なる稼動制御方法とを実行する。
【００７２】
次に、第４の実施の形態例の燃料電池システムにおける凍結防止動作を含む稼動制御動作について、図１４及び図１５の動作フローに従って説明する。先ず、燃料電池制御部６は、駆動系電源遮断スイッチ７４をオン状態とすることにより、燃料電池システム９０から駆動系回路１２へ電源が供給される状態とする（ステップＳ３０１）。次に、燃料電池制御部６は、制御系電源切り替えスイッチ７５をオン状態とすることにより、燃料電池システム９０から制御系回路１１及び待機時用二次電池７６に電源が供給される状態とする（ステップＳ３０２）。次に、燃料電池制御部６は、FC負荷オン/オフ信号をオン状態とすることにより（ステップＳ３０３）、セルスタック部２０から二次電池３及びDC/DCコンバータ４に電源が供給される状態とする。
【００７３】
次に、燃料電池制御部６は、負荷状態確認部６３により実負荷状態確認信号を確認する（ステップＳ３０４）。実負荷１０の機械が停止していればＬレベルの実負荷状態確認信号が検出され、実負荷１０の機械が動作していればＨレベルの実負荷状態確認信号が検出される。次に、燃料電池制御部６は、機内温度センサ８により燃料電池システム９０の機内温度の検出を開始する（ステップＳ３０５）。次に、燃料電池制御部６は、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態とすることにより（ステップＳ３０６）、燃料電池システム９０から駆動系回路１２に電源が供給されない状態とする。
【００７４】
次に、燃料電池制御部６は、燃料電池システム９０の機内温度Ｔ℃が氷点温度＋α℃以下に達しているか検出し（ステップＳ３０７）、燃料電池システム９０の機内温度Ｔ℃が氷点温度＋α℃の温度に達していることを検出すると（ステップＳ３０７；ＹＥＳ）、実負荷状態確認信号がＬレベルであるか、すなわち実負荷１０の機械が停止しているか検出する（ステップＳ３０８）。燃料電池制御部６は、実負荷状態確認信号がＨレベルであることを検出すると（ステップＳ３０８；ＮＯ）、すなわち実負荷１０が稼動状態にあれば、燃料電池システム９０の立ち上がり動作を開始する。
【００７５】
一方、燃料電池制御部６は、実負荷状態確認信号がＬレベルであることを検出すると（ステップＳ３０８；ＹＥＳ）、FC1バルブ２８のみをオン状態とすることにより（ステップＳ３０９）、循環ポンプ２６からFC1５０への希釈メタノール燃料の供給を開始させる。次に、燃料電池制御部６は、FC1コントロール信号を送信することにより（ステップＳ３１０）、補機類を動作させてFC1５０による発電を開始させる。
【００７６】
そして、燃料電池制御部６は、FC1濃度センサ３１によりFC1５０内の燃料濃度が適正値以上であるか検出する（ステップＳ３１１）。燃料電池制御部６は、FC1５０内の燃料濃度が適正値に満たない場合には（ステップＳ３１１；ＮＯ）、燃料ポンプ２４を一定時間動作させて循環タンク２３内の燃料の濃度を高める（ステップＳ３１２）。FC1５０内の燃料濃度が適正値以上になることにより（ステップＳ３１１；ＹＥＳ）、FC1５０が稼動状態となる（ステップＳ３１３）。
【００７７】
次に、燃料電池制御部６は、機内温度センサ８により燃料電池システム９０の機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達しているか検出する（ステップＳ３１４）。燃料電池制御部６は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃内の温度に達していることを検出すると（ステップＳ３１４；ＹＥＳ）、補機類を停止させることにより発電を停止し（ステップＳ３１５）、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態とした後の工程、すなわち、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋α℃の温度に達しているか検出する工程（ステップＳ３０７）以降から繰り返す。
【００７８】
燃料電池制御部６は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達していない場合には（ステップＳ３１４；ＮＯ）、FC負荷オン/オフ信号をオフ状態に切り替え（ステップＳ３１６）、ヒータオン/オフスイッチ８５をオン状態とするとともに電源遮断スイッチ８９をオフ状態にすることにより機内ヒータ８１に電源供給される状態とし、機内ヒータ８１による発熱量が一番小さくなるようにタップ８２を切り替える（ステップＳ３１７）。次に、燃料電池制御部６は、FC1バルブ２８とともにFC2バルブ２９をオン状態とすることにより（ステップＳ３１８）、循環ポンプ２６からFC2５１への希釈メタノール燃料の供給を開始させる。次に、燃料電池制御部６は、FC2コントロール信号を送信することにより（ステップＳ３１９）、補機類を動作させてFC2５１による発電を開始させる。
【００７９】
次に、燃料電池制御部６は、FC2濃度センサ３２によりFC2５１内の燃料濃度が適正値以上であるか検出する（ステップＳ３２０）。燃料電池制御部６は、FC1５０内の燃料濃度が適正値に満たない場合には（ステップＳ３２０；ＮＯ）、燃料ポンプ２４を一定時間動作させて循環タンク２３内の燃料の濃度を高める（ステップＳ３２１）。FC2５１内の燃料濃度が適正値以上になることにより（ステップＳ３２０；ＹＥＳ）、FC2５１が稼動状態となる（ステップＳ３２２）。
【００８０】
そして、燃料電池制御部６は、機内ヒータ８１による発熱量が中程度に大きくなるようにタップ８２を切り替え（ステップＳ３２３）、その後、機内温度センサ８により燃料電池システム９０の機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達しているか検出する（ステップＳ３２４）。燃料電池制御部６は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達していることを検出すると（ステップＳ３２４；ＹＥＳ）、補機類を停止させることにより発電を停止し（ステップＳ３２５）、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態とした後の工程、すなわち、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋α℃の温度に達しているか検出する工程（ステップＳ３０７）以降から繰り返す。
【００８１】
一方、燃料電池制御部６は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達していない場合には（ステップＳ３２４；ＮＯ）、FC3バルブ３０をオン状態とすることにより（ステップＳ３２６）、循環ポンプ２６からFC3５２への希釈メタノール燃料の供給路を開放する。次に、燃料電池制御部６は、FC3コントロール信号を送信することにより（ステップＳ３２７）、補機類を動作させてFC3５２による発電を開始させる。
【００８２】
次に、燃料電池制御部６は、FC3濃度センサ３３によりFC3５２内の燃料濃度が適正値以上であるか検出する（ステップＳ３２８）。燃料電池制御部６は、FC1５０内の燃料濃度が適正値に満たない場合には（ステップＳ３２８；ＮＯ）、燃料ポンプ２４を一定時間動作させて循環タンク２３内の燃料の濃度を高める（ステップＳ３２９）。FC3５２内の燃料濃度が適正値以上になることにより（ステップＳ３２８；ＹＥＳ）、FC3５２が稼動状態となる（ステップＳ３３０）。
【００８３】
そして、燃料電池制御部６は、機内ヒータ８１による発熱量が最も大きくなるようにタップ８２を切り替え（ステップＳ３３１）、その後、機内温度センサ８により燃料電池システム９０の機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達しているか検出する（ステップＳ３３２）。燃料電池制御部６は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達していることを検出すると（ステップＳ３３２；ＹＥＳ）、補機類を停止させることにより発電を停止し（ステップＳ３３３）、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態とした後の工程、すなわち、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋α℃の温度に達しているか検出する工程（ステップＳ３０７）以降から繰り返す。そして、燃料電池制御部６は、機内温度Ｔ℃が氷点温度＋β℃の温度に達していない場合には（ステップＳ３３２；ＮＯ）、表示部７に低温エラーであることを知らせる表示、例えば「低温ERROR」と表示する（ステップＳ３３４）。
【００８４】
次に、燃料電池制御部６が実行する燃料電池システム９０の立ち上がり動作について図１５の動作フローに従って説明する。先ず、燃料電池制御部６は、FC負荷オン/オフ信号をオン状態にすることにより（ステップＳ４０１）、セルスタック部２０から二次電池３及びDC/DCコンバータ４に電源が供給される状態とする。次に、燃料電池制御部６は、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態とすることにより（ステップＳ４０２）、燃料電池システム９０から駆動系回路１２へ電源が供給されない状態とする。次に、燃料電池制御部６は、制御系電源切り替えスイッチ７５をオフ状態とすることにより（ステップＳ４０３）、燃料電池システム９０から制御系回路１１及び待機時用二次電池７６に電源が供給される状態とする。
【００８５】
次に、燃料電池制御部６は、FC1コントロール信号、FC2コントロール信号及びFC3コントロール信号を出力することにより（ステップＳ４０４）、FC1５０、FC2５１及びFC3５２をすべて稼動開始させる（ステップＳ４０５）。次に、燃料電池制御部６は、負荷供給電圧監視部９１による二次電池３の出力電圧の監視を開始する（ステップＳ４０６）。次に、燃料電池制御部６は、一定時間経過後にFC1濃度センサ３１、FC2濃度センサ３２及びFC3濃度センサ３３から入力される各セルスタックに満たされた希釈メタノール燃料の濃度が、記憶部９４に記憶された燃料濃度の所定値を超えたか検出する（ステップＳ４０７）。
【００８６】
燃料電池制御部６は、各セルスタックに満たされた希釈メタノール燃料の濃度が記憶部９４に記憶された燃料濃度の所定値であれば（ステップＳ４０７；ＹＥＳ）、FC1温度センサ３４、FC2温度センサ３５及びFC3温度センサ３６から、それぞれFC1５０、FC2５１及びFC3５２の温度を燃料電池温度監視信号として入力し、FC1５０、FC2５１、及びFC3５２の温度が、それぞれ記憶部９４に記憶された所定の温度に達したかを検出する（ステップＳ４０８）。燃料電池制御部６は、いずれかのセルスタックの温度も記憶部９４に記憶された所定の温度に達していなければ（ステップＳ４０８；ＮＯ）、燃料ポンプ２４を稼動することにより循環タンク２３内の希釈メタノール燃料の濃度を濃くし（ステップＳ４０９）、一定時間経過後、セルスタック部２０内の温度を検出し、セルスタック部２０内の温度が記憶部９４に記憶された所定の温度以上であるか検出する（ステップＳ４１０）。
【００８７】
燃料電池制御部６は、セルスタック部２０内の温度が記憶部９４に記憶された所定の温度を超えていなければ（ステップＳ４１０；ＮＯ）、すなわち燃料電池システム９０の立ち上がりに異常があると判断された状態で電源遮断スイッチ８９をオン状態のまま、すなわちセルスタック部２０から補機類への電源供給をした状態で、負荷供給電圧監視部９１により監視される二次電池３の出力電圧が、下限値を超えて小さくなったか検出する（ステップＳ４１１）。二次電池３の出力電圧の下限値は、DC/DCコンバータ４を正常に動作させる電圧範囲を示す仕様値である入力電圧条件の下限よりも、次回立ち上げる際に燃料電池制御回路１１２を起動させることができる電力以上の電力を残す程度に高い値である。燃料電池制御部６は、二次電池３の出力電圧が下限値を超えて小さくなると（ステップＳ４１１；ＹＥＳ）、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態にすることにより、燃料電池システム９０から駆動系回路１２への電源供給を遮断し（ステップＳ４１２）、制御系電源切り替えスイッチ７５をオフ状態にすることにより、燃料電池システム９０から制御系回路１１への電源供給を遮断し（ステップＳ４１３）、燃料電池システム９０の表示部７と実負荷１０の表示部９３にエラーであること、停止理由、及び対処方法を表示させ（ステップＳ４１４）、電源遮断スイッチ８９をオフ状態とすることにより、機内ヒータ８１に電源供給する状態に切り替え、二次電池３の消耗を極力抑える（ステップＳ４１５）。
【００８８】
次に、セルスタック部２０内の希釈メタノール燃料の濃度が低すぎるために温度が上がらない場合には、循環タンク２３内の希釈メタノール燃料の濃度を高めることにより、セルスタック部２０内の温度を上げることができる。一方、循環タンク２３内の希釈メタノール燃料の濃度を濃くしても、セルスタック部２０内の温度が所定の温度に上がらず、殆ど変化がない場合や下がる場合には、補機類の系統が異常であることや、循環系が異常であること、例えば、凍結状態にあるために循環系の流路が塞がれ、燃料を濃くしてもセルスタック内濃度が上がらないという問題が発生している恐れがあるため、表示部７及び表示部９３にエラーを表示することにより、オペレータに注意を促すことができる。
【００８９】
なお、燃料電池システム９０から実負荷１０への電源供給が停止してもオペレータに対する表示をある程度継続する必要があるため、表示部７及び表示部９３に個別の表示用電源を設けることが望ましい。なお、燃料電池システム９０から実負荷１０への電源供給が実負荷１０の動作途中で停止した場合、実負荷１０の復帰時の面倒や故障の原因になる可能性があるため、実負荷１０に設けられた動作終了信号を通信や信号を通じて受けた後に、実負荷１０への給電を停止することが望ましい。
【００９０】
なお、燃料電池制御部６は、燃料電池システム９０の異常を検知するために、セルスタック部２０内の温度を監視する他、セルスタック部２０の出力電圧を監視するものであってもよい。例えば、起動後、一定の時間経過後に所定の電圧に達しない状態で循環系燃料濃度を濃くしても温度が殆ど上がらず、むしろ下がる傾向にあるようであれば同様の判断ができる。
【００９１】
次に、燃料電池制御部６は、セルスタック部２０内の温度が記憶部９４に記憶された所定の温度以上であれば（ステップＳ４０８；ＹＥＳ）、駆動系電源遮断スイッチ７４をオン状態にすることにより、燃料電池システム９０から駆動系回路１１１へ電源を供給する状態とし（ステップＳ４１６）、制御系電源切り替えスイッチ７５をオン状態にすることにより、燃料電池システム９０から制御系回路１１へ電源を供給を供給する状態とし（ステップＳ４１７）、FC電圧監視部１１３によりセルスタック部２０の出力電圧の監視を開始し（ステップＳ４１８）、電源遮断スイッチ７３をオフ状態にすることにより、セルスタック部２０から実負荷１０への電源供給がされない状態とする（ステップＳ４１９）。
【００９２】
次に、燃料電池制御部６は、指定時間経過後にFC電圧監視部１１３により検出されるセルスタック部１０の出力電圧が所定値を超えたか検出する（ステップＳ４２０）。燃料電池制御部６は、セルスタック部１０の出力電圧が所定値を超えていなければ（ステップＳ４２０；ＮＯ）、負荷供給電圧監視部９１により監視される二次電池３の出力電圧が、下限値を超えて小さくなったか検出する（ステップＳ４２１）。燃料電池制御部６は、二次電池３の出力電圧が下限値を超えて小さくなると（ステップＳ４２１；ＹＥＳ）、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態にすることにより、燃料電池システム９０から駆動系回路１２への電源供給を遮断し（ステップＳ４２２）、制御系電源切り替えスイッチ７５をオフ状態にすることにより、燃料電池システム９０から制御系回路１１への電源供給を遮断し（ステップＳ４２３）、表示部７及び表示部９３にエラーであることを表示させる（ステップＳ４２４）。
【００９３】
一方、燃料電池制御部６は、セルスタック部１０の出力電圧が所定値を超えていれば（ステップＳ４２０；ＹＥＳ）、指定時間経過後にFC1温度センサ３４、FC2温度センサ３５及びFC3温度センサ３６から、それぞれFC1５０、FC2５１及びFC3５２の温度を入力し、FC1５０、FC2５１及びFC3５２の温度が、それぞれ記憶部９４に記憶された温度を超えたか検出する（ステップＳ４２５）。燃料電池制御部６は、セルスタック部１０の温度が所定値を超えていなければ（ステップＳ４２５；ＮＯ）、負荷供給電圧監視部９１により監視される二次電池３の出力電圧が、下限値を超えて小さくなったか検出する（ステップＳ４２１）。燃料電池制御部６は、二次電池３の出力電圧が下限値を超えて小さくなると（ステップＳ４２１；ＹＥＳ）、駆動系電源遮断スイッチ７４をオフ状態にすることにより、燃料電池システム９０から駆動系回路１２への電源供給を遮断し（ステップＳ４２２）、制御系電源切り替えスイッチ７５をオフ状態にすることにより、燃料電池システム９０から制御系回路１１への電源供給を遮断し（ステップＳ４２３）、表示部７及び表示部９３にエラーであることを表示させる（ステップＳ４２４）。
【００９４】
一方、燃料電池制御部６は、セルスタック部１０の温度が所定値を超えていれば（ステップＳ４２５）、負荷供給電圧監視部９１による二次電池３の出力電圧の監視開始（ステップＳ４０６）から繰り返す。
【００９５】
なお、燃料電池制御部６は、燃料電池システム９０から実負荷１０への電源供給を停止し、表示部７及び表示部９３にエラーであることを表示する際、実負荷１０の動作途中で電源供給を停止すると実負荷１０の復帰時の面倒や故障の原因になる可能性があるため、実負荷１０に設けられた動作終了信号を通信や信号を通じて受けた後に、実負荷１０への給電を停止することが望ましい。燃料電池制御部６は、実負荷１０への電源供給を停止した後は、制御系回路１１の電源に挿入された二次電池７６を電源とし、二次電池７６の容量がつきるまで燃料電池制御部６を稼動させるとともに補機類を稼動及び制御しながら、燃料電池システム９０の復帰状況を確認し、二次電池７６の容量がつきるまでに燃料電池温度監視信号が上昇の方向にあることを確認し、正常時温度に達することにより燃料電池システム９０の復帰が認められた場合、正常動作に復帰する。また、燃料電池制御部６は、復帰確認中、当初ヒータオン/オフスイッチ８５をオフ状態としてスタートし、一定時間経過後、セルスタック部１０の温度上昇が確認され、機内ヒータ８１を接続したことによりセルスタック部１０が停止しない程度の出力電圧に達した際の温度である所定の温度以上になった時点で、ヒータオン/オフスイッチ８５をオン状態に切り替え、徐々にタップ８２を切り替えて発熱量を多くする。セルスタック部１０の立ち上がりの加速化のため、つまり燃料電池は負荷を接続し、自己発熱することで燃料と酸素の反応が加速化されるために、徐々にヒータのタップ切り替えとヒータオン/オフ信号を制御することで解凍を加速させる。
【００９６】
このような第４の実施の形態例の燃料電池システムによれば、セルスタックの立ち上がりを監視する機能を設けることにより、燃料電池システムが起動した際に出力が正常であることを確認することができる。また、負荷への供給電圧監視する機能を設けることにより、ハイブリッド電源において燃料電池システムが起動した際に出力が正常でないことを確認した後、二次電池の出力が下降中であることを確認することができる。更に、セルスタックの出力電圧と負荷への出力電圧監視結果に基づいて、負荷への電源供給を停止させる機能を設けることにより、オペレータに対し燃料電池システムが異常状態であると判断し、負荷を停止させることができる。そして、セルスタックの出力電圧と負荷への出力電圧監視結果に基づいて負荷への電源供給を停止させる場合、機械の最終動作を確認した後、停止させることにより、負荷を停止させる際に異常状態で停止しないようにし、JOB終了が確認できた後に停止させることができる。また、セルスタックの出力電圧と負荷への出力電圧監視結果に基づいてオペレータやサービスマンに対し異常を知らせることができる。
【００９７】
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図２】図１の燃料電池ユニットの構成を示すブロック図である。
【図３】図１の燃料電池制御部と図２の燃料電池ユニットの各構成部との制御システムのブロック図である。
【図４】第１の実施の形態例の燃料電池システムにおける凍結防止動作を含む稼動制御動作を示すフローチャートである。
【図５】セルスタック部付近の拡大図及び断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図７】図６の燃料電池制御部と図２の燃料電池ユニットの各構成部との制御システムのブロック図である。
【図８】第２の実施の形態例の燃料電池システムにおける凍結防止動作を含む稼動制御動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態例に係る燃料電池システムの別の構成を示すシステム構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図１１】図１０の燃料電池制御部と図２の燃料電池ユニットの各構成部との制御システムのブロック図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態例に係る燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図１３】図１２の燃料電池制御部と図２の燃料電池ユニットの各構成部との制御システムのブロック図である。
【図１４】第４の実施の形態例の燃料電池システムにおける凍結防止動作を含む稼動制御動作を示すフローチャートである。
【図１５】第４の実施の形態例の燃料電池システムにおける凍結防止動作を含む稼動制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
１，７０，８０，９０；燃料電池システム、
２；燃料電池ユニット、３；二次電池、
４；DC/DCコンバータ、５；逆流防止用ダイオード、
６；燃料電池制御部、７；表示部、８；機内温度センサ、
１０；実負荷、１１；制御系回路、１２；駆動系回路、
１３；実負荷制御回路。
【図１】
2007018992.tif 000003
【図２】
2007018992.tif 000004
【図３】
2007018992.tif 000005
【図４】
2007018992.tif 000006
【図５】
2007018992.tif 000007
【図６】
2007018992.tif 000008
【図７】
2007018992.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007018992.tif 000011
【図１０】
2007018992.tif 000012
【図１１】
2007018992.tif 000013
【図１２】
2007018992.tif 000014
【図１３】
2007018992.tif 000015
【図１４】
2007018992.tif 000016
【図１５】
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