(57)【要約】      （修正有）【課題】低温起動時に燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を速やかに上昇させ、燃料電池スタックの温度を上昇させる燃料電池システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック３と、燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路１７と、燃料電池スタックの入口３ａ１に接続されて、燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサＫ１が配置されたカソードガス供給流路４と、カソードガス供給流路において、コンプレッサの出口Ｋ１ａと燃料電池スタックの入口との間に配置され、冷媒循環経路１７と接続されて、冷媒によってコンプレッサから排出されたカソードガスを冷却するインタークーラ５と、カソードガス供給流路上に設置され、コンプレッサの出口と燃料電池スタックの入口との間の圧力を調節する調圧弁Ｖ１と、を備える。【選択図】図１
2016091609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、
前記燃料電池スタックの入口に接続されて、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサが配置されたカソードガス供給流路と、
前記カソードガス供給流路において、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間に配置され、前記冷媒循環経路と接続されて、前記冷媒によって前記コンプレッサから排出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、
前記カソードガス供給流路上に設置され、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間の圧力を調節する調圧弁と、
を、備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記コンプレッサの下流側で前記カソードガス供給流路から分岐するとともに、前記コンプレッサの上流側に接続される循環経路と、
前記循環経路に配置され、開度調整可能な循環制御弁と、
を、備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環経路は、前記コンプレッサと前記インタークーラとの間で前記カソードガス供給流路から分岐した請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環経路は、前記インタークーラの下流側で前記カソードガス供給流路から分岐した請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、前記燃料電池スタックの入口に接続されて、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサが配置されたカソードガス供給流路と、前記カソードガス供給流路において、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間に配置され、前記冷媒循環経路と接続されて、前記冷媒によって前記コンプレッサから排出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの昇温が要求されたときに、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間の圧力を上昇させる燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池スタックの昇温が要求されたときに、前記コンプレッサを含む循環経路に前記カソードガスを循環させる請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。
【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制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックを冷却する冷媒を、カソードガス（酸化ガス）を圧送するコンプレッサの下流側に配置されたインタークーラに引き込み、このインタークーラを通過するカソードガスを冷却する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。インタークーラを装備する燃料電池システムは、例えば、特許文献２にも開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７７７４７号公報
【特許文献２】特開２００８−２７７０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムを低温起動させる場合等、燃料電池スタックの早急の昇温が求められることがある。ここで、コンプレッサの下流側に配置されたインタークーラには、コンプレッサにより圧縮されて昇温したカソードガスが流通することに着目し、このカソードガスと熱交換する冷媒の昇温を促し、燃料電池スタックを早急に昇温させることが考えられる。このとき、コンプレッサの出口側の圧力を上昇させれば、より効果的にカソードガスの温度を上昇させ、ひいては、インタークーラに引き込まれた冷媒の温度を上昇させることができる。ここで、燃料電池スタックの出口側に設置されている、いわゆる背圧弁を用いて背圧を上昇させれば、コンプレッサの出口側の圧力を上昇させることができる。ところが、燃料電池スタックには、燃料電池システムの運転状況等の要請に基づく要求圧力が設定されるため、冷媒温度の上昇を目的として、やみくもに背圧を上昇させることは困難である。特に、低温起動時は、燃料電池スタックに供給されるカソードガス量を絞る低効率運転を行うことによって燃料電池スタックを昇温させる制御が行われることがある。これに対し、背圧を上昇させて、コンプレッサの出口側の圧力を上昇させることは、燃料電池スタックに供給するカソードガス量を増量する側に作用する。すなわち、背圧を上昇させると、カソード側に供給されるカソードガスの量が増加して、カソードガスが貯まり、低効率運転ができず、スタック温度を上げることができない。このため、背圧を上昇させることによるカソードガスの温度上昇が困難である状況となっている。すなわち、背圧の上昇は、燃料電池スタックの圧力要請と、カソードガスの温度上昇の要請に対し、背反の関係にある。
【０００５】
そこで、本明細書開示の燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を速やかに上昇させ、燃料電池スタックの温度を上昇させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、前記燃料電池スタックの入口に接続されて、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサが配置されたカソードガス供給流路と、前記カソードガス供給流路において、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間に配置され、前記冷媒循環経路と接続されて、前記冷媒によって前記コンプレッサから排出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、前記カソードガス供給流路上に設置され、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間の圧力を調節する調圧弁と、を、備える。
【０００７】
これにより、燃料電池スタック内と切り離して、コンプレッサの出口と燃料電池スタックの入口との間の圧力を上昇させることができ、インタークーラにおいて、冷媒の温度を上昇させることができる。これにより、昇温した冷媒により燃料電池スタックを早期に昇温させることができる。
【０００８】
燃料電池システムは、前記コンプレッサの下流側で前記カソードガス供給流路から分岐するとともに、前記コンプレッサの上流側に接続される循環経路と、前記循環経路に配置され、開度調整可能な循環制御弁と、を、備えることができる。例えば、前記循環経路は、前記コンプレッサと前記インタークーラとの間で前記カソードガス供給流路から分岐してもよいし、前記循環経路は、前記インタークーラの下流側で前記カソードガス供給流路から分岐してもよい。
【０００９】
燃料電池スタックに供給される前のカソードガスを循環させ、コンプレッサに複数回通過させることにより、カソードガスの温度を効果的に上昇させることができる。
【００１０】
本明細書に開示された燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、前記燃料電池スタックの入口に接続されて、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサが配置されたカソードガス供給流路と、前記カソードガス供給流路において、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間に配置され、前記冷媒循環経路と接続されて、前記冷媒によって前記コンプレッサから排出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの昇温が要求されたときに、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間の圧力を上昇させる。これにより、燃料電池スタック内と切り離して、コンプレッサの出口と燃料電池スタックの入口との間の圧力を上昇させることができ、インタークーラにおいて、冷媒の温度を上昇させることができる。これにより、昇温した冷媒により燃料電池スタックを早期に昇温させることができる。
【００１１】
このような燃料電池システムの制御方法では、前記燃料電池スタックの昇温が要求されたときに、前記コンプレッサを含む循環経路に前記カソードガスを循環させるようにしてもよい。燃料電池スタックに供給される前のカソードガスを循環させ、コンプレッサに複数回通過させることにより、カソードガスの温度を効果的に上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書開示の燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を速やかに上昇させ、燃料電池スタックの温度を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図２は第１実施形態における燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】図３は第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれていたり、実際には装備されている構成が省略されていたりする場合がある。
【００１５】
（第１実施形態）
まず、図１を参照しつつ、第１実施形態の燃料電池システム１について説明する。図１は第１実施形態の燃料電池システム１の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム１を例に説明する。燃料電池システム１は、固体高分子形の燃料電池２を含む。燃料電池２は、カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する単セルを複数積層して形成されるとともに、内部にカソード流路３ａとアノード流路３ｂとが形成された燃料電池スタック３を含む。電解質膜は、例えば、プロトン導電性の固体高分子電解質膜である。なお、図１において単セルの図示は省略されている。また、燃料電池スタック３内には、燃料電池スタック３を冷却する冷媒が流通する冷媒流路３ｃが設けられている。燃料電池スタック３には、アノード電極に水素ガス、すなわち、アノードガスが供給されると共に、カソード電極に酸素を含む空気、すなわち、カソードガスが供給される。そして、アノード電極における触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過し、カソード電極まで移動して、酸素と電気化学反応を起こすことにより発電する。燃料電池スタック３には、発電した電気の電圧値を測定する電圧計Ｖと電流値を測定する電流計Ａが接続されている。そして、冷媒流路３ｃを流通する冷媒は、燃料電池スタック３を冷却する。ただし、燃料電池２の低温起動時には、冷媒により、燃料電池スタック３の温度を上昇させる。
【００１６】
燃料電池スタック３の入口、より具体的には、燃料電池スタック３のカソード流路３ａの入口３ａ１側には、カソードガス供給流路４が接続されている。カソードガス供給流路４の端部には、エアクリーナ４ａが装着されている。また、カソードガス供給流路４には、カソードガスを圧送し、燃料電池スタック３にカソードガスを供給するコンプレッサＫ１が配置されている。また、カソードガス供給流路４には、カソード流路３ａの入口３ａ１とコンプレッサＫ１の出口Ｋ１ａとの間にインタークーラ５が配置されている。インタークーラ５は、冷媒循環流路１７と接続され、冷媒との間で熱交換を行い、コンプレッサＫ１から排出されたカソードガスを冷却する。冷媒が循環する冷媒循環流路１７については、後に詳述する。カソードガス供給流路４には、さらに、コンプレッサＫ１とインタークーラ５との間に第１温度計Ｔ１が設置され、インタークーラ５の下流側に圧力計Ｐが設置されている。第１温度計Ｔ１は、カソードガスの温度を測定する。
【００１７】
カソードガス供給流路上には、コンプレッサＫ１の出口Ｋ１ａと燃料電池スタック３の入口３ａ１との間の圧力を調節する調圧弁Ｖ１が設置されている。
【００１８】
燃料電池スタック３のカソード流路３ａの出口３ａ２側には、カソードオフガス排出流路６が接続されている。カソードオフガス排出流路６には、背圧弁Ｖ２が配置されている。背圧弁Ｖ２は、カソードガス供給流路４のコンプレッサＫ１よりも下流側、カソード流路３ａ及びカソードオフガス排出流路６の背圧弁Ｖ２よりも上流側の領域の圧力、すなわち、カソード背圧を調整する。ただし、コンプレッサＫ１の下流側から調圧弁Ｖ１までの間の圧力は、調圧弁Ｖ１の開度によって調整することができる。すなわち、コンプレッサＫ１から調圧弁Ｖ１の間の圧力は、カソード流路３ａ内の圧力とは別個に制御される。カソードオフガス排出流路６には、背圧弁Ｖ２の下流側にマフラー７が配置されている。
【００１９】
燃料電池システム１は、コンプレッサＫ１の下流側でカソードガス供給流路４から分岐するとともに、コンプレッサＫ１の上流側に接続される循環流路８を備える。この循環流路８には、開度調整可能な循環制御弁Ｖ３が配置されている。循環流路８は、より具体的に、コンプレッサＫ１とインタークーラ５との間でカソードガス供給流路４から分岐している。循環制御弁Ｖ３が開弁されると、インタークーラ５に導入される前のカソードガスが再度コンプレッサＫ１に供給されて、カソードガスの昇温が促進される。
【００２０】
燃料電池スタック３のアノード流路３ｂの入口３ｂ１側には、アノード供給流路９が接続されている。アノード供給流路９の端部には、水素供給源となる水素タンク１０が接続されている。水素タンク１０内には、高圧の水素が貯留されている。アノード供給流路９には、水素の供給を遮断するシャット弁１１と、水素の圧力を減圧するレギュレータ１２が配置されている。
【００２１】
燃料電池スタック３のアノード流路３ｂの出口３ｂ２側には、排気管１３が接続されている。排気管１３の端部には、気液分離器１４が設置されている。そして、気液分離器１４において、循環流路１５ａとパージ流路１５ｂとが分岐している。気液分離器１４では、アノードオフガスに含まれる水分が分離される。水分が分離された後のアノードオフガスは、循環流路１５ａ側に排出される。一方、分離された水分は、パージ流路１５ｂ側へ排出される。循環流路１５ａには、ポンプＰ１が配置されている。循環流路１５ａにポンプＰ１が配置されることにより、アノードオフガスをアノード流路３ｂへ再度供給することができる。気液分離器１４において分岐したパージ流路１５ｂは、カソードオフガス排出流路６に設けられた背圧弁Ｖ２の下流側に接続されている。パージ流路１５ｂには、パージ弁１６が配置されている。パージ弁１６を開弁することにより、循環させないアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出することができる。
【００２２】
燃料電池スタック３の冷媒流路３ｃの入口３ｃ１には、冷媒循環流路１７の一端が接続されている。また、冷媒流路３ｃの出口３ｃ２には、冷媒循環流路１７の他端が接続されている。冷媒循環流路１７には、冷媒を循環させ、冷媒を燃料電池スタック３内に供給するポンプＰ２が設置されている。また、冷媒循環流路１７には、ラジエータ１８が設置されている。冷媒循環流路１７には、三方弁１９が設けられており、この三方弁１９からラジエータ１８をバイパスするバイパス流路２０が分岐している。なお、三方弁１９は、感温部を備え、冷媒の温度に応じて開閉状態を変化させる、いわゆるサーモスタット型の弁であるが、電気式の弁を採用してもよい。三方弁１９は、冷媒の温度が所定値よりも高くなると冷媒をラジエータ１８側へ循環させて、冷媒を冷却するようになっている。
【００２３】
冷媒循環流路１７には、インタークーラ５が接続されている。具体的に、冷媒循環流路１７からは、第１引込流路１７ａと第２引込流路１７ｂとが分岐している。第１引込流路１７ａは、ポンプＰ２と冷媒流路３ｃの入口３ｃ１との間から分岐しており、その他端は、インタークーラ５に接続されている。冷媒は、第１引込流路１７ａを通じて、インタークーラ５に流入する。一方、第２引込流路１７ｂは、三方弁１９と冷媒流路３ｃの出口３ｃ２との間から分岐しており、その他端は、インタークーラ５に接続されている。冷媒は、第２引込流路１７ｂを通じて、インタークーラ５から冷媒循環流路１７に戻される。
【００２４】
燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１を備える。ＥＣＵ２１は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されており、制御部として機能する。ＥＣＵ２１には、第１温度計Ｔ１、圧力計Ｐ、電圧計Ｖ、電流計Ａが電気的に接続されている。また、ＥＣＵ２１には、コンプレッサＫ１、ポンプＰ１、Ｐ２と電気的に接続されており、これらの機器の駆動制御を行う。また、ＥＣＵ２１には、調圧弁Ｖ１、背圧弁Ｖ２、循環制御弁Ｖ３、シャット弁１１、レギュレータ１２及びパージ弁１６が電気的に接続されており、これらの弁の開閉制御を行う。ＥＣＵ２１は、その他各センサによって検出された値が入力される。また、ＥＣＵ２１は、電流電圧マップ等を格納している。このようなＥＣＵ２１は、出力設定処理を行う。すなわち、空気供給量や、カソード背圧、水素供給量、水素圧力、出力履歴、電圧、電流値マップ等から出力する電流値を設定する。ＥＣＵ２１は、温度計Ｔの測定値に基づいて、燃料電池スタック３の昇温が要求されたとき、すなわち、いわゆる低温起動時において、調圧弁Ｖ１を制御することによる冷媒温度の上昇制御を行う。
【００２５】
つぎに、図２を参照しつつ、第１実施形態の燃料電池システム１の制御について説明する。図２は第１実施形態における燃料電池システム１の制御の一例を示すフローチャートである。燃料電池システム１の制御は、ＥＣＵ２１によって主体的に行われる。
【００２６】
まず、ステップＳ１では、第１温度計Ｔ１により、冷媒の温度ＴＷを取得する。そして、ステップＳ２へ進み、温度ＴＷが予め設定された閾値Ｔ１よりも低いか否かを判断する。ここで、閾値Ｔ１は、燃料電池２が低温起動状態にあるか否かを判断するための基準となる値であり、予め設定され、ＥＣＵ２１内に記憶された値となっている。ステップＳ２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、第２温度計Ｔ２により、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃを取得するとともに、圧力計ＰによりコンプレッサＫ１の出口圧力Ｐｃを取得する。そして、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃが予め定めた目標温度Ｔｔｒｇよりも低いか否かを判断する。ここで、目標温度Ｔｔｒｇは、インタークーラ５において冷媒を効果的に昇温させることができる温度として予め設定され、ＥＣＵ２１内に記憶された値である。
【００２７】
ステップＳ４でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、調圧弁Ｖ１を閉弁する。これにより、コンプレッサＫ１の出口Ｋ１ａから調圧弁までと、調圧弁Ｖ１の下流側、具体的に、カソード流路３ａとが切り分けられ、各領域で圧力の調整ができるようになる。カソード流路３ａでは、カソードガス流量が絞られることにより、燃料電池スタック３における昇温が促進可能となる。
【００２８】
一方、調圧弁Ｖ１よりも上流側のカソードガス供給流路４内の圧力は上昇し始める。ステップＳ５に引き続いて行われるステップＳ６では、コンプレッサＫ１の出口圧力Ｐｃが予め定めた目標圧力Ｐｔｒｇよりも低いか否かを判断する。ここで、目標圧力Ｐｔｒｇは、インタークーラ５において冷媒を効果的に昇温させることができる圧力として予め設定され、ＥＣＵ２１内に記憶された値である。
【００２９】
ステップＳ６でＮＯと判断したときは、ステップＳ７へ進む。一方、ステップＳ６でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ６ＮＯと判断するまで、ステップＳ５からの処理を繰り返す。ステップＳ７では、再度、第２温度計Ｔ２により、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃを取得する。そして、ステップＳ７に引き続いて行われるステップＳ８では、再び、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃが予め定めた目標温度Ｔｔｒｇよりも低いか否かを判断する。目標温度Ｔｔｒｇは、ステップＳ４で用いた値と同様である。ステップＳ８でＹＥＳと判断した場合、すなわち、調圧弁Ｖ１を閉じ、コンプレッサＫ１の出口圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｔｒｇに達したにも関わらず、出口温度Ｔｃが目標温度Ｔｔｒｇに達しないときは、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、ＴｔｒｇとＴｃとの差分（Ｔｔｒｇ−Ｔｃ）、すなわち上昇させたい温度から循環制御弁Ｖ３の開度を算出する。そして、ステップＳ１０へ進み、ステップＳ９で算出した循環制御弁Ｖ３の開度からコンプレッサＫ１の稼働量を算出する。循環制御弁Ｖ３が開弁すると、コンプレッサＫ１によって吐出されたカソードガスの一部が循環流路８へ流れ込む。この結果、なんらの手当てをも施さない場合には、インタークーラ５及び燃料電池スタック３に流れ込むカソードガスの流量が減少する。インタークーラ５に流れ込むカソードガス量が減少すると、インタークーラ５における熱交換の効率が低下する。燃料電池スタック３へ流れ込むカソードガス量が減少すると、燃料電池スタック３において所望の発電反応が行われない。そこで、ステップＳ１０では、循環制御弁Ｖ３を開弁することに起因するインタークーラ５及び燃料電池スタック３へ流れ込むカソードガスの減少分を補うようにコンプレッサＫ１の稼働量を設定する。ステップＳ１０に引き続き行われるステップＳ１１では、循環制御弁Ｖ３を開弁するとともに、コンプレッサ稼働量を調整する。具体的には、コンプレッサＫ１の稼働量を増す。循環制御弁Ｖ３を開弁することにより、一旦コンプレッサＫ１から吐出されたカソードガスの一部が循環流路８を通じて再度コンプレッサＫ１に送り込まれる。これにより、再度コンプレッサＫ１から吐出されたカソードガスの昇温が促進される。また、この際、コンプレッサＫ１の稼働量を増すことから、インタークーラ５に流れ込むカソードガスの流量低下による昇温効果の低下も回避することができる。なお、本実施形態では、ＴｔｒｇとＴｃとの差分（Ｔｔｒｇ−Ｔｃ）から循環制御弁Ｖ３の開度を算出し、算出された循環制御弁Ｖ３の開度に基づいてコンプレッサＫ１の稼働量を設定している。このような制御に代えて、予め循環制御弁Ｖ３の開度と、これを加味したコンプレッサＫ１の稼働量との組み合わせを準備しておき、ＴｔｒｇとＴｃとの差分（Ｔｔｒｇ−Ｔｃ）に基づいて、適切な循環制御弁Ｖ３の開度とコンプレッサＫ１の稼働量の組み合わせを選択するようにしてもよい。ステップＳ１１の処理が終了したら、ステップＳ１からの処理を繰り返す。
【００３０】
一方、ステップＳ２でＮＯと判断したとき、ステップＳ４でＮＯと判断したとき、さらに、ステップＳ８でＮＯと判断したときは、いずれもステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、カソードガスの昇温制御が不要であるとして、循環制御弁Ｖ３を閉弁する。すなわち、循環流路８へのカソードガスの循環を停止する。ステップＳ１２の処理が終了したら、ステップＳ１からの処理を繰り返す。
【００３１】
以上のような制御を実行することにより、インタークーラ５に供給されるカソードガスの温度が上昇し、この結果、燃料電池スタック３に供給される冷媒の温度が速やかに上昇する。そして、燃料電池スタック３の温度が上昇し、低温起動時であっても、適切に燃料電池２を起動させることができる。
【００３２】
（第２実施形態）
つぎに、図３を参照しつつ、第２実施形態について説明する。第２実施形態の燃料電池システム１０１は、第１実施形態の燃料電池システム１との間に以下に説明する相違点を有する。第２実施形態の燃料電池システム１０１は、第１実施形態の燃料電池システム１と、循環流路８１の分岐点を異にしている。また、これに伴い、循環制御弁Ｖ３の開度設定と、循環制御弁Ｖ３を開弁したときのコンプレッサＫ１の稼働量の設定が異なっている。なお、図２に示したフローチャート自体は、第２実施形態でも共通して使用している。
【００３３】
第１実施形態における循環流路８は、コンプレッサＫ１とインタークーラ５との間で分岐している。このため、第１実施形態では、仮にコンプレッサＫ１の稼働量をそのままとして循環制御弁Ｖ３を開弁した場合に、インタークーラ５及び燃料電池スタック３に流れ込むカソードガスの流量が減少する。これに対応すべく、第１実施形態におけるステップＳ１０では、循環制御弁Ｖ３を開弁することに起因するインタークーラ５及び燃料電池スタック３へ流れ込むカソードガスの減少分を補うようにコンプレッサＫ１の稼働量を設定する。これに対し、第２実施形態の循環流路８１は、インタークーラ５の下流側で分岐している。このため、第２実施形態では、仮にコンプレッサＫ１の稼働量をそのままとして循環制御弁Ｖ３を開弁した場合、燃料電池スタック３に流れ込むカソードガスの流量が減少する。そこで、第２実施形態におけるステップＳ１０では、これに対応すべく、循環制御弁Ｖ３を開弁することに起因する燃料電池スタック３へ流れ込むカソードガスの減少分を補うようにコンプレッサＫ１の稼働量を設定する。これにより、再度コンプレッサＫ１から吐出された昇温されたカソードガスをその流量の低下を伴うことなく燃料電池スタック３に供給することができる。また、インタークーラ５に流れ込む流量は、増加することになるため、この点において冷媒の昇温効果を高めることもできる。
【００３４】
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００３５】
１、１０１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  燃料電池スタック
３ａ  カソード流路
３ｂ  アノード流路
３ｃ  冷媒流路
４  カソードガス供給流路
５  インタークーラ
６  カソードオフガス排出流路
８  循環流路
１７  冷媒循環流路
１７ａ  第１引込流路
１７ｂ  第２引込流路
Ｋ１  コンプレッサ
Ｖ１  調圧弁
Ｖ２  背圧弁
Ｖ３  循環制御弁
【図１】
2016091609.tif 000003
【図２】
2016091609.tif 000004
【図３】
2016091609.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月29日(2015.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、
前記燃料電池スタックの入口に接続されて、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサが配置されたカソードガス供給流路と、
前記カソードガス供給流路において、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間に配置され、前記冷媒循環経路と接続されて、前記冷媒によって前記コンプレッサから排出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、
前記カソードガス供給流路上に設置され、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間の圧力を調節する調圧弁と、
を、備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記コンプレッサの下流側で前記カソードガス供給流路から分岐するとともに、前記コンプレッサの上流側に接続される循環経路と、
前記循環経路に配置され、開度調整可能な循環制御弁と、
を、備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環経路は、前記コンプレッサと前記インタークーラとの間で前記カソードガス供給流路から分岐した請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環経路は、前記インタークーラの下流側で前記カソードガス供給流路から分岐した請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する冷媒循環経路と、前記燃料電池スタックの入口に接続されて、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサが配置されたカソードガス供給流路と、前記カソードガス供給流路において、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間に配置され、前記冷媒循環経路と接続されて、前記冷媒によって前記コンプレッサから排出されたカソードガスを冷却するインタークーラと、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの昇温が要求されたときに、前記カソードガス供給流路上に設置され、前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間の圧力を調節する調圧弁によって前記コンプレッサの出口と前記燃料電池スタックの入口との間の圧力を上昇させる燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池スタックの昇温が要求されたときに、前記コンプレッサを含む循環経路に前記カソードガスを循環させる請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
燃料電池スタック３の冷媒流路３ｃの入口３ｃ１には、冷媒循環流路１７の一端が接続されている。また、冷媒流路３ｃの出口３ｃ２には、冷媒循環流路１７の他端が接続されている。冷媒循環流路１７には、冷媒を循環させ、冷媒を燃料電池スタック３内に供給するポンプＰ２が設置されている。また、冷媒循環流路１７には、ラジエータ１８が設置されている。冷媒循環流路１７には、三方弁１９が設けられており、この三方弁１９からラジエータ１８をバイパスするバイパス流路２０が分岐している。なお、三方弁１９は、感温部を備え、冷媒の温度に応じて開閉状態を変化させる、いわゆるサーモスタット型の弁であるが、電気式の弁を採用してもよい。三方弁１９は、冷媒の温度が所定値よりも高くなると冷媒をラジエータ１８側へ循環させて、冷媒を冷却するようになっている。冷媒循環流路１７の三方弁１９と冷媒流路３ｃの出口３ｃ２との間には、冷媒の温度を測定する第２温度計Ｔ２が設けられている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
まず、ステップＳ１では、第２温度計Ｔ２により、冷媒の温度ＴＷを取得する。そして、ステップＳ２へ進み、温度ＴＷが予め設定された閾値Ｔ０よりも低いか否かを判断する。ここで、閾値Ｔ０は、燃料電池２が低温起動状態にあるか否かを判断するための基準となる値であり、予め設定され、ＥＣＵ２１内に記憶された値となっている。ステップＳ２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、第１温度計Ｔ１により、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃを取得するとともに、圧力計ＰによりコンプレッサＫ１の出口圧力Ｐｃを取得する。そして、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃが予め定めた目標温度Ｔｔｒｇよりも低いか否かを判断する。ここで、目標温度Ｔｔｒｇは、インタークーラ５において冷媒を効果的に昇温させることができる温度として予め設定され、ＥＣＵ２１内に記憶された値である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
ステップＳ４でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、調圧弁Ｖ１を閉弁する。これにより、コンプレッサＫ１の出口Ｋ１ａから調圧弁Ｖ１までと、調圧弁Ｖ１の下流側、具体的に、カソード流路３ａとが切り分けられ、各領域で圧力の調整ができるようになる。カソード流路３ａでは、カソードガス流量が絞られることにより、燃料電池スタック３における昇温が促進可能となる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
ステップＳ６でＮＯと判断したときは、ステップＳ７へ進む。一方、ステップＳ６でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ６でＮＯと判断するまで、ステップＳ５からの処理を繰り返す。ステップＳ７では、再度、第１温度計Ｔ１により、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃを取得する。そして、ステップＳ７に引き続いて行われるステップＳ８では、再び、コンプレッサＫ１の出口温度Ｔｃが予め定めた目標温度Ｔｔｒｇよりも低いか否かを判断する。目標温度Ｔｔｒｇは、ステップＳ４で用いた値と同様である。ステップＳ８でＹＥＳと判断した場合、すなわち、調圧弁Ｖ１を閉じ、コンプレッサＫ１の出口圧力Ｐｃが目標圧力Ｐｔｒｇに達したにも関わらず、出口温度Ｔｃが目標温度Ｔｔｒｇに達しないときは、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、ＴｔｒｇとＴｃとの差分（Ｔｔｒｇ−Ｔｃ）、すなわち上昇させたい温度から循環制御弁Ｖ３の開度を算出する。そして、ステップＳ１０へ進み、ステップＳ９で算出した循環制御弁Ｖ３の開度からコンプレッサＫ１の稼働量を算出する。循環制御弁Ｖ３が開弁すると、コンプレッサＫ１によって吐出されたカソードガスの一部が循環流路８へ流れ込む。この結果、なんらの手当てをも施さない場合には、インタークーラ５及び燃料電池スタック３に流れ込むカソードガスの流量が減少する。インタークーラ５に流れ込むカソードガス量が減少すると、インタークーラ５における熱交換の効率が低下する。燃料電池スタック３へ流れ込むカソードガス量が減少すると、燃料電池スタック３において所望の発電反応が行われない。そこで、ステップＳ１０では、循環制御弁Ｖ３を開弁することに起因するインタークーラ５及び燃料電池スタック３へ流れ込むカソードガスの減少分を補うようにコンプレッサＫ１の稼働量を設定する。ステップＳ１０に引き続き行われるステップＳ１１では、循環制御弁Ｖ３を開弁するとともに、コンプレッサ稼働量を調整する。具体的には、コンプレッサＫ１の稼働量を増す。循環制御弁Ｖ３を開弁することにより、一旦コンプレッサＫ１から吐出されたカソードガスの一部が循環流路８を通じて再度コンプレッサＫ１に送り込まれる。これにより、再度コンプレッサＫ１から吐出されたカソードガスの昇温が促進される。また、この際、コンプレッサＫ１の稼働量を増すことから、インタークーラ５に流れ込むカソードガスの流量低下による昇温効果の低下も回避することができる。なお、本実施形態では、ＴｔｒｇとＴｃとの差分（Ｔｔｒｇ−Ｔｃ）から循環制御弁Ｖ３の開度を算出し、算出された循環制御弁Ｖ３の開度に基づいてコンプレッサＫ１の稼働量を設定している。このような制御に代えて、予め循環制御弁Ｖ３の開度と、これを加味したコンプレッサＫ１の稼働量との組み合わせを準備しておき、ＴｔｒｇとＴｃとの差分（Ｔｔｒｇ−Ｔｃ）に基づいて、適切な循環制御弁Ｖ３の開度とコンプレッサＫ１の稼働量の組み合わせを選択するようにしてもよい。ステップＳ１１の処理が終了したら、ステップＳ１からの処理を繰り返す。