(57)【要約】【課題】暖機運転中における出力エネルギーの低下を抑制できる燃料電池システムの運転方法を提供すること。【解決手段】電気エネルギーを出力可能な燃料電池３と燃料電池３から生じた電気エネルギーを蓄電可能であり電気エネルギーを外部出力可能なバッテリー４０とを備える燃料電池システム２の燃料電池３の暖機運転時において、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値未満である場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力することなく、燃料電池３を暖機運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーをバッテリー４０に蓄電し、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力するとともに、燃料電池３を暖機運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーをバッテリー４０に蓄電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池から生じた電気エネルギーを蓄電可能であり、かつ、電気エネルギーを外部出力可能なバッテリーと
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池は、前記燃料電池の温度が所定温度未満の場合に暖機運転され、前記燃料電池の温度が所定温度以上の場合に定常運転され、
前記燃料電池の暖機運転時において、
前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値未満である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力することなく、前記燃料電池を暖機運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを前記バッテリーに蓄電し、
前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力するとともに、前記燃料電池を暖機運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを前記バッテリーに蓄電する
ことを特徴とする、燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
電気エネルギーを出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池から生じた電気エネルギーを蓄電可能であり、かつ、電気エネルギーを外部出力可能なバッテリーと、
前記燃料電池を冷却するための冷却手段と
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池は、前記燃料電池の温度が所定温度未満の場合に暖機運転され、前記燃料電池の温度が所定温度以上の場合に定常運転され、
前記燃料電池の定常運転時、かつ、前記冷却手段の作動時において、
前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値未満である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力することなく、前記燃料電池を定常運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを外部出力し、
前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力するとともに、前記燃料電池を定常運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを外部出力する
ことを特徴とする、燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池およびバッテリーを備える燃料電池システムが知られている（例えば、下記特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１の燃料電池システムは、液体燃料を貯蔵する燃料タンクと、燃料タンクから供給される液体燃料を燃料電池に供給するとともに、燃料電池から排出される液体燃料を燃料タンクに還流するための還流管と、還流管において、燃料電池の上流側および下流側のそれぞれに設けられるポンプおよび気液分離器とを備えている。
【０００４】
この燃料電池システムの定常運転では、液体燃料を、ポンプの駆動力に基づいて、燃料タンクから還流管を介して燃料電池に供給し、そして、燃料電池において電気化学反応を生じ、起電力を発生させる。その後、使用後および未反応の液体燃料を、還流管を介して気液分離器に流入させて、この気液分離器において液体燃料とガスとを分離し、液体燃料を燃料タンクに還流させる。このような運転により出力された電気エネルギーは、適宜の用途に用いられ、また、必要により、バッテリーに蓄電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１２９３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、このような燃料電池システムでは、液体燃料の電気化学反応が効率的に生じる温度（例えば、４０〜８０℃）において定常運転することが望まれており、その温度に至るまでは、燃料電池システムを暖機運転（低温運転）させ、電気化学反応の反応熱などにより加熱することが要求される。
【０００７】
しかし、暖機運転中に燃料電池システムから生じる電気エネルギーは、定常運転中に燃料電池システムから生じる電気エネルギーよりも低いため、燃料電池システムが充分に加熱されるまでの間、要求される電気エネルギーを出力できない場合がある。
【０００８】
また、このような燃料電池システムでは、通常、定常運転において、電気化学反応の反応熱によって燃料電池システムが過熱されることを防止すべく、熱交換器で燃料を冷やすなどの方法で、燃料電池を冷却している。
【０００９】
しかし、このような場合において、燃料電池が急冷されると、電気化学反応の反応効率が低下し、要求される電気エネルギーを出力できない場合がある。
【００１０】
本発明の第１の目的は、暖機運転中における出力エネルギーの低下を抑制できる燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、冷却中における出力エネルギーの低下を抑制できる燃料電池システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明［１］は、電気エネルギーを出力可能な燃料電池と、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを蓄電可能であり、かつ、電気エネルギーを外部出力可能なバッテリーとを備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池は、前記燃料電池の温度が所定温度未満の場合に暖機運転され、前記燃料電池の温度が所定温度以上の場合に定常運転され、前記燃料電池の暖機運転時において、前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値未満である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力することなく、前記燃料電池を暖機運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを前記バッテリーに蓄電し、前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力するとともに、前記燃料電池を暖機運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを前記バッテリーに蓄電する、燃料電池システムの運転方法を含んでいる。
【００１３】
本発明［２］は、電気エネルギーを出力可能な燃料電池と、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを蓄電可能であり、かつ、電気エネルギーを外部出力可能なバッテリーと、前記燃料電池を冷却するための冷却手段とを備える燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池は、前記燃料電池の温度が所定温度未満の場合に暖機運転され、前記燃料電池の温度が所定温度以上の場合に定常運転され、前記燃料電池の定常運転時、かつ、前記冷却手段の作動時において、前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値未満である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力することなく、前記燃料電池を定常運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを外部出力し、前記バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、前記バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力するとともに、前記燃料電池を定常運転させ、前記燃料電池から生じた電気エネルギーを外部出力する、燃料電池システムの運転方法を含んでいる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明［１］では、燃料電池の暖機運転時において、バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力する。
【００１５】
そのため、本発明［１］によれば、燃料電池の暖機運転中において、燃料電池３の出力が低下する場合にも、バッテリーにより充分な電気エネルギーを外部出力でき、暖機運転中における出力エネルギーの低下を抑制できる。
【００１６】
本発明［２］では、燃料電池の定常運転時、かつ、冷却手段の作動時において、バッテリーの蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、バッテリーの蓄電エネルギーを外部出力する。
【００１７】
そのため、本発明［２］によれば、燃料電池の冷却中において、燃料電池の出力が低下する場合にも、バッテリーにより充分な電気エネルギーを外部出力でき、冷却中における出力エネルギーの低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の燃料電池システムの運転方法の一実施形態により運転される燃料電池システムを搭載する電動車両の概略構成図である。
【図２】図２は、図１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理を表わすフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の燃料電池システムの運転方法の一実施形態により運転される燃料電池システムを搭載する電動車両について、図１を参照して、説明する。
１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＦＣ）およびバッテリー（ＢＡＴＴＥＲＹ：ＢＡＴ）が搭載されるハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００２０】
燃料電池システム２は、電気エネルギーを出力可能な燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７、冷却部５０とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給および排出され、アニオン交換型燃料電池またはカチオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２１】
燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、例えば、ヒドラジン（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）が用いられる。
【００２２】
なお、以下において、燃料電池３に供給される液体燃料を供給液、一方、燃料電池３から排出される液体燃料を排出液として、それぞれ区別する。
【００２３】
なお、排出液は、未反応の液体燃料の他、燃料電池３における液体燃料の反応生成物および反応生成水を含んでいる。反応生成物は、用いられる液体燃料の種類により異なる。例えば、液体燃料としてヒドラジンが用いられる場合には、窒素（Ｎ２）やアンモニア（ＮＨ３）などが反応生成物として排出液に含有される。
【００２４】
燃料電池３は、電解質層８と、電解質層８の一方側に配置されたアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（燃料電池セル）が、セパレータ（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造に形成されている。つまり、電解質層８を介してアノード９およびカソード１０が対向配置されてなる単位セル２８が複数積層されている。なお、図１では、積層される複数の単位セル２８のうち、電動車両１の前後方向途中に配置される単位セル２８だけを拡大して表わし、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。
【００２５】
電解質層８は、例えば、アニオン成分またはカチオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜またはカチオン交換膜を用いて形成されている。
【００２６】
アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料（供給液）を供給するための燃料供給部材１２とを有している。
【００２７】
アノード電極１１は、電解質層８の一方面に形成されている。アノード電極１１の電極材料としては、例えば、触媒が担持された多孔質担体（触媒担持多孔質担体）などが挙げられる。
【００２８】
燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材１２は、溝の形成された表面がアノード電極１１に対向接触されている。これにより、アノード電極１１の一方面と燃料供給部材１２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料（供給液）を接触させるための燃料供給路１３が形成される。
【００２９】
燃料供給路１３には、液体燃料（供給液）をアノード９内に流入させるための燃料供給口１５が一端側（下側）に形成され、液体燃料（排出液）をアノード９から排出するための燃料排出口１４が他端側（上側）に形成されている。
【００３０】
カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極１６と、カソード電極１６に空気（酸素）を供給するための空気供給部材１７とを有している。
【００３１】
カソード電極１６は、電解質層８の他方面に形成されている。
【００３２】
カソード電極１６の電極材料としては、例えば、アノード電極１１の電極材料として例示した、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。
【００３３】
空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材１７は、溝の形成された表面がカソード電極１６に対向接触されている。これにより、カソード電極１６の他方面と空気供給部材１７の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極１６全体に空気を接触させるための空気流路としての空気供給路１８が形成される。
【００３４】
空気供給路１８には、空気をカソード１０内に流入させるための空気供給口１９が他端側（上側）に形成され、空気をカソード１０から排出するための空気排出口２０が一端側（下側）に形成されている。
【００３５】
また、このような燃料電池３において、複数の単位セル２８をそれぞれ区分する１つのセパレータは、上記燃料供給部材１２および上記空気供給部材１７を兼ね備える。換言すると、セパレータは、その一方側面において、燃料供給部材１２として作用するとともに、他方側面において、空気供給部材１７として作用する。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２２と、燃料タンク２２から燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）へ供給液を供給する燃料供給経路としての燃料供給ライン３０と、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出液を排出する燃料排出経路としての燃料排出ライン３１と、燃料排出ライン３１から燃料供給ライン３０へ排出液を輸送する還流ライン３２とを備えている。
【００３６】
なお、燃料供給ライン３０と燃料排出ライン３１との間には、燃料電池３が介在されており、また、燃料排出ライン３１と還流ライン３２との間には、気液分離器２３（後述）が介在されている。
【００３７】
燃料タンク２２は、燃料電池３よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。燃料タンク２２には、液体燃料として、例えば、上記したヒドラジンが貯蔵されている。
【００３８】
燃料供給ライン３０は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料タンク２２に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されている。
【００３９】
また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ３３および燃料供給弁３４が設けられている。
【００４０】
燃料供給ポンプ３３としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。燃料供給ポンプ３３は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ３３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給ポンプ３３の駆動および停止を制御する。
【００４１】
また、燃料供給弁３４は、燃料供給ライン３０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁３４は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３４の開閉を制御する。
【００４２】
このような燃料供給ライン３０により、燃料タンク２２から、液体燃料（供給液）が燃料電池３へ供給される。
【００４３】
燃料排出ライン３１は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、気液分離器２３に接続されている。燃料排出ライン３１により、排出液が燃料電池３から排出され、気液分離器２３に輸送される。
【００４４】
また、燃料排出ライン３１には、温度センサ７０が設けられている。
【００４５】
温度センサ７０は、燃料排出ライン３１に介在されており、燃料電池３の温度、具体的には、燃料電池３内における燃料の温度を測定するために、燃料排出ライン３１における燃料の排出方向上流側端部に配置されている。温度センサ７０は、コントロールユニット２９（後述）と電気的に接続されている。
【００４６】
気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる底部流通口２４が２つ形成されている。
【００４７】
また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。
【００４８】
気液分離器２３は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向上方において、２つの底部流通口２４が、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料排出ライン３１および還流ライン３２（後述）に接続されている。
【００４９】
上部流通口２５には、気液分離器２３で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６が接続されている。ガス排出管２６は、シール材（ガスケット）を介して上部流通口２５に接続されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられており、下流側端部が大気中に開放されている。
【００５０】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。ガス排出弁２７は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号がガス排出弁２７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００５１】
還流ライン３２は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、気液分離器２３に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料供給ライン３０の流れ方向途中、詳しくは、燃料供給ポンプ３３および燃料供給弁３４よりも下流側に接続されている。
【００５２】
また、還流ライン３２の流れ方向途中には、燃料還流ポンプ３５が介在されている。
【００５３】
燃料還流ポンプ３５としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。燃料還流ポンプ３５は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、燃料還流ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料還流ポンプ３５の駆動および停止を制御する。
【００５４】
これにより、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が、気液分離器２３および還流ライン３２を介して、燃料供給ライン３０に輸送される。そして、燃料タンク２２から輸送された液体燃料（１次供給液）と混合され、濃度調整された後、供給液（２次供給液）として、燃料電池３に戻ることにより、アノード９を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３（カソード１０）に対して空気を供給する空気供給経路としての空気供給ライン４１と、カソード１０から排出される空気を外部に排出するための空気排出ライン４２とを備えている。
【００５５】
空気供給ライン４１は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給ライン４１の途中には、空気供給ポンプ４３が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁４４が設けられている。
【００５６】
また、空気供給ポンプ４３は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ４３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給ポンプ４３の駆動および停止を制御する。
【００５７】
空気供給弁４４は、空気供給ライン４１を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。
【００５８】
また、空気供給弁４４は、それぞれ、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給弁４４の開閉を制御する。
【００５９】
空気排出ライン４２は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
（４）制御部
制御部６は、コントロールユニット２９を備えている。
【００６０】
コントロールユニット２９は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
【００６１】
コントロールユニット２９は、燃料供給ポンプ３３および燃料還流ポンプ３５に電気的に接続されており、それらの駆動および停止を制御可能としている。また、コントロールユニット２９は、燃料供給弁３４、ガス排出弁２７および空気供給弁４４に電気的に接続されており、それらの開閉および開度を制御可能としている。
【００６２】
また、コントロールユニット２９は、温度センサ７０およびＤＣ／ＤＣコンバータ３６に電気的に接続されており、後述するが、温度センサ７０から送信される燃料電池３の温度の信号に基づいて、燃料電池３の運転、および、バッテリー４０（後述）の出力を可能としている。具体的には、コントロールユニット２９のＲＯＭには、後述する運転処理プログラムが格納されている。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、電装機器３７と、電装機器３７に電気的に接続されるインバータ（ＩＮＶ）３８と、燃料電池３で発電された電気エネルギーを蓄電可能であり、かつ、電気エネルギーを外部出力可能なバッテリー（ＢＡＴ）４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＣＮＶ）３６とを備えている。
【００６３】
電装機器３７は、電力を使用する装置であって、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの電気モータ、例えば、ヘッドライト、カーオーディオ、エアコンディショナーなどのカーアクセサリなど、車両に搭載される各種電装機器が挙げられる。
【００６４】
インバータ３８は、電装機器３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。また、インバータ３８は、配線により、燃料電池３および電装機器３７にそれぞれ電気的に接続されている。
【００６５】
バッテリー４０としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、バッテリー４０は、インバータ３８と燃料電池３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池から生じた電気エネルギーを蓄電可能とし、かつ、電装機器３７に電気エネルギーを外部出力可能としている。また、バッテリー４０には、図示しないセンサが接続されており、バッテリー４０の蓄電エネルギー量（電池容量、ＳＯＣ）が確認可能とされている。
【００６６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、バッテリー４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力およびバッテリー４０の入出力電力を調整する機能を有している。
【００６７】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット２９と電気的に接続されており（図１の破線参照）、これにより、コントロールユニット２９から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。
【００６８】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３およびバッテリー４０にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ３８に電気的に接続されている。
【００６９】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６から電装機器３７への電力は、インバータ３８において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力として電装機器３７に供給される。
（６）冷却部
冷却部５０は、冷却供給ライン５２と、燃料電池３を冷却するための冷却手段としての冷却器５１と、冷却還流ライン５３とを備えている。
【００７０】
冷却供給ライン５２は、燃料タンク２２から冷却器５１へ液体燃料を供給するための配管である。冷却供給ライン５２の供給方向上流端は、燃料タンク２２の下端部に接続されている。冷却供給ライン５２の供給方向下流端は、冷却器５１に接続されている。また、冷却供給ライン５２は、図示しないポンプを備えている。
【００７１】
冷却器５１は、燃料タンク２２の前側に配置され、冷却供給ライン５２から供給される液体燃料を外気や冷媒で冷却するように構成されている。なお、冷却器５１において液体燃料を外気で冷却する場合には、空気給排部５の後述する空気供給ポンプ４３で導入した外気を、図示しない配管により、冷却器５１に供給することもできる。冷却器５１としては、例えば、ラジエータが挙げられる。
【００７２】
冷却還流ライン５３は、冷却器５１から燃料タンク２２へ液体燃料を還流するための配管である。冷却還流ライン５３の還流方向上流端は、冷却器５１に接続されている。冷却還流ライン５３の還流方向下流端は、燃料タンク２２の上端部に接続されている。
【００７３】
２．燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、コントロールユニット２９の制御により、燃料供給弁３４が開かれ、燃料供給ポンプ３３および燃料還流ポンプ３５が駆動されることにより、液体燃料が、燃料供給ライン３０を介してアノード９に供給される。一方、空気供給弁４４が開かれ、空気供給ポンプ４３が駆動されることにより、空気が空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３４は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００７４】
アノード９では、液体燃料が、アノード電極１１と接触しながら燃料供給路１３を通過する。一方、カソード１０では、空気が、カソード電極１６と接触しながら空気供給路１８を通過する。
【００７５】
そして、各電極（アノード電極１１およびカソード電極１６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極１１での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−          （カソード電極１６での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ              （燃料電池３全体での反応）
このようなアノード電極１１およびカソード電極１６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。
【００７６】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、動力部７では、インバータ３８および電装機器３７、および／または、バッテリー４０に送電される。そして、電装機器３７では、電気エネルギーが使用され、バッテリー４０では、その電力が充電される。
【００７７】
また、燃料給排部４では、燃料還流ポンプ３５および燃料供給ポンプ３３の駆動力により、アノード９から排出される使用後および未反応の液体燃料（排出液）が、燃料排出ライン３１を通過して上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり３９が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の底部流通口２４から還流ライン３２に流出する。
【００７８】
還流ライン３２に流出する液体燃料は、燃料供給ライン３０の流れ方向途中部分において、燃料タンク２２から供給される液体燃料と混合された後、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。
【００７９】
このようにして、液体燃料が、クローズドライン（還流ライン３２、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３１、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離された気体は、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。
【００８０】
３．  運転処理プログラム
上記の燃料電池システム２による発電では、電気化学反応が効率的に生じる所定温度において定常運転することが望まれており、その温度に至るまでは、燃料電池システム２を暖機運転（低温運転）させ、電気化学反応の反応熱などにより加熱することが要求される。なお、暖機運転は、燃料電池システム２の始動から、定常運転に到達するまでの運転である。すなわち、燃料電池３は、燃料電池３の温度が所定温度未満の場合に暖機運転され、燃料電池３の温度が所定温度以上の場合に定常運転される。
【００８１】
一方、このような燃料電池システム２では、燃料電池３の暖機運転または定常運転中に、出力エネルギーが低下する場合があり、そのような出力エネルギーの低下を抑制することが要求される。
【００８２】
以下において、出力エネルギーの低下を抑制できる燃料電池システム２の運転方法について、図２を参照して詳述する。
【００８３】
この制御処理は、例えば、電装機器３７による電気エネルギーの要求をトリガーとして始動（スタート）される。
【００８４】
処理がスタートされると、まず、燃料電池３から電気エネルギーを生じさせるか否かが判断される。すなわち、燃料電池３の運転または非運転が判断される。
【００８５】
より具体的には、まず、バッテリー４０に接続されるセンサ（図示せず）によって、バッテリー４０の蓄電エネルギー量（ＳＯＣ）が測定され、そして、その蓄電エネルギー量がコントロールユニット２９に入力される（ステップＳ１）。
【００８６】
次いで、コントロールユニット２９において、バッテリー４０の蓄電エネルギー量（バッテリー残量）が所定値（第１蓄電閾値）以上であるか否かが判定される（ステップＳ２）。
【００８７】
ステップＳ２における所定値（第１蓄電閾値）とは、燃料電池３の運転または非運転を判定する値であり、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。以下において、ステップＳ２における所定値として、バッテリー４０の最大容量に対する８０％の値を採用して説明する。
【００８８】
バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第１蓄電閾値（例えば、最大容量の８０％）以上である場合（ステップＳ２のＹＥＳ）、燃料電池３が運転されることなく、バッテリー４０に蓄電される電気エネルギーが使用される（以下、ＦＣ非運転モードとする。）。
【００８９】
より具体的には、ＦＣ非運転モードでは、燃料電池３の運転が停止され、バッテリー４０からの外部出力が許可され、バッテリー４０に蓄電された電気エネルギーが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６およびインバータ３８を介して、電装機器３７に供給される（ステップＳ３（ＢＡＴ：ＯＮ、ＦＣ：ＯＦＦ））。
【００９０】
一方、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第１蓄電閾値（例えば、最大容量の８０％）未満である場合（ステップＳ２のＮＯ）、燃料電池３が運転される（以下、ＦＣ運転モードとする。）。
【００９１】
ＦＣ運転モードでは、燃料電池３が暖機運転されるか、または、定常運転（非暖機運転）されるかが判定される。
【００９２】
より具体的には、ＦＣ運転モードでは、まず、燃料電池３の温度が温度センサ７０によって測定され、そして、その温度がコントロールユニット２９に入力される（ステップＳ４）。
【００９３】
次いで、コントロールユニット２９において、燃料電池３の温度が所定値（第１温度閾値）以下であるか否かが判定される（ステップＳ５）。
【００９４】
ステップＳ５における第１温度閾値とは、燃料電池３における電気化学反応が効率的に生じる温度に燃料電池３が達したか否かを判定する温度であり、燃料の種類などに応じて、適宜設定される。以下において、ステップＳ５における第１温度閾値として、４０℃を採用して説明する。
【００９５】
燃料電池３の温度が第１温度閾値（例えば、４０℃）以下である場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、燃料電池３が暖機運転される（以下、ＦＣ暖機運転モードとする。）。
【００９６】
ＦＣ暖機運転モードでは、バッテリー４０からの外部出力が許可されるか否かが判定される。
【００９７】
より具体的には、ＦＣ暖機運転モードでは、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値（第２蓄電閾値）以上であるか否かが判定される（ステップＳ６）。
【００９８】
ステップＳ６における第２蓄電閾値とは、バッテリー４０からの外部出力の許可または許可を判定する値である。第２蓄電閾値は、ステップＳ２における第１蓄電閾値よりも低い値であれば特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。以下において、ステップＳ６における第２蓄電閾値として、バッテリー４０の最大容量に対する６０％の値を採用して説明する。
【００９９】
バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第２蓄電閾値（例えば、最大容量の６０％）未満である場合（ステップＳ６のＮＯ）、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力することなく、燃料電池３を暖機運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーを、バッテリー４０に蓄電する（ステップＳ７（ＢＡＴ：ＯＦＦ、ＦＣ：ＯＮ））。
【０１００】
すなわち、このステップＳ７では、燃料電池３の温度が上記の所定値（第１温度閾値）以下であるため、燃料電池３は暖機運転される。このとき、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が上記の所定値（第２蓄電閾値）未満であるため、バッテリー４０の蓄電エネルギーは、外部出力されない。そして、暖機運転により燃料電池３から生じる電気エネルギーは、電装機器３７などに用いられることなく、バッテリー４０に蓄電される。
【０１０１】
一方、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第２蓄電閾値（例えば、最大容量の６０％）以上である場合（ステップＳ６のＹＥＳ）、バッテリー４０の蓄電エネルギー量は、ステップＳ２の上記の所定値（第１蓄電閾値）未満、かつ、ステップＳ６の上記の所定値（第２蓄電閾値）以上である。
【０１０２】
このような場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力するとともに、燃料電池３を暖機運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーを、バッテリー４０に蓄電する（ステップＳ８（ＢＡＴ：ＯＮ、ＦＣ：ＯＮ））。
【０１０３】
すなわち、このステップＳ８では、燃料電池３の温度が上記の所定値（第１温度閾値）以下であるため、燃料電池３は暖機運転される。このとき、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が上記の所定値（第２蓄電閾値）以上であるため、バッテリー４０の蓄電エネルギーが、外部出力され、電装機器３７に供給される。そして、暖機運転により燃料電池３から生じる電気エネルギーは、電装機器３７などに用いられることなく、バッテリー４０に蓄電される。
【０１０４】
そして、このような処理（ステップＳ４〜ステップＳ８）を繰り返し、燃料電池３の温度が所定温度（例えば、４０℃）を超過するまで、暖機運転を続行する。
【０１０５】
このような燃料電池システム２の運転方法では、燃料電池３の暖機運転時において、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値（第２蓄電閾値）以上である場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力する。そのため、燃料電池３の暖機運転中において、燃料電池３の出力が低下する場合にも、バッテリー４０により充分な電気エネルギーを外部出力でき、暖機運転中における出力エネルギーの低下を抑制できる。
【０１０６】
そして、上記の暖機運転により、燃料電池３の温度が第１温度閾値（例えば、４０℃）を超過すると（ステップＳ５のＹＥＳ）、燃料電池３が定常運転される（以下、ＦＣ定常運転モードとする。）。
【０１０７】
ＦＣ定常運転モードでは、電気化学反応の反応熱によって燃料電池３の温度が上昇する。そして、燃料電池３が過熱されると、損傷を生じる場合がある。
【０１０８】
そのため、ＦＣ定常運転モードでは、燃料電池３の冷却が必要であるか否かが判断され、必要に応じて冷却器５１が作動され、燃料電池３が冷却される。
【０１０９】
より具体的には、ＦＣ定常運転モードでは、ステップＳ４において測定された燃料電池３の温度が所定値（第２温度閾値）以上であるか否かが判定される（ステップＳ９）。
【０１１０】
ステップＳ９における第２温度閾値とは、燃料電池３が過熱状態に達したか否かを判定する温度であり、燃料電池３の材質などに応じて、適宜設定される。以下において、ステップＳ９における第２温度閾値として、６０℃を採用して説明する。
【０１１１】
燃料電池３の温度が第２温度閾値（例えば、６０℃）未満である場合（ステップＳ９のＮＯ）、すなわち、燃料電池３の温度が第１温度閾値（例えば、４０℃）を超過し、第２温度閾値（例えば、６０℃）未満である場合、燃料電池３は冷却されることなく、定常運転される（以下、非冷却・定常運転モードとする。）。
【０１１２】
非冷却・定常運転モードでは、暖機運転モードと同様、バッテリー４０からの外部出力が許可されるか否かが判定される。
【０１１３】
より具体的には、非冷却・定常運転モードでは、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値（第２蓄電閾値）以上であるか否かが判定される（ステップＳ１０）。
【０１１４】
ステップＳ１０における第２蓄電閾値とは、バッテリー４０からの外部出力の許可または許可を判定する値であり、好ましくは、ステップＳ６における第２蓄電閾値と同じ値である。以下において、ステップＳ１０における第２蓄電閾値として、バッテリー４０の最大容量に対する６０％の値を採用して説明する。
【０１１５】
バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第２蓄電閾値（例えば、最大容量の６０％）未満である場合（ステップＳ１０のＮＯ）、燃料電池３を冷却することなく、また、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力することなく、燃料電池３を定常運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーを、外部出力する（ステップＳ１１（冷却器：ＯＦＦ、ＢＡＴ：ＯＦＦ、ＦＣ：ＯＮ））。
【０１１６】
すなわち、このステップＳ１１では、燃料電池３の温度が上記の所定値（第１温度閾値）を超過するため、燃料電池３は定常運転され、また、燃料電池３の温度が上記の所定値（第２温度閾値）未満であるため、燃料電池３は冷却されない。また、このとき、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が上記の所定値（第２蓄電閾値）未満であるため、バッテリー４０の蓄電エネルギーは、外部出力されない。そして、定常運転により燃料電池３から生じる電気エネルギーは、外部出力され、電装機器３７に供給される。
【０１１７】
一方、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第２蓄電閾値（例えば、最大容量の６０％）以上である場合（ステップＳ１０のＹＥＳ）、バッテリー４０の蓄電エネルギー量は、ステップＳ２の上記の所定値（第１蓄電閾値）未満、かつ、ステップＳ１０の上記の所定値（第２蓄電閾値）以上である。
【０１１８】
このような場合には、燃料電池３を冷却することなく、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力するとともに、燃料電池３を定常運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーを、外部出力する（ステップＳ１２（冷却器：ＯＦＦ、ＢＡＴ：ＯＮ、ＦＣ：ＯＮ））。
【０１１９】
すなわち、このステップＳ１２では、燃料電池３の温度が上記の所定値（第１温度閾値）を超過するため、燃料電池３は定常運転され、また、燃料電池３の温度が上記の所定値（第２温度閾値）未満であるため、燃料電池３は冷却されない。また、このとき、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が上記の所定値（第２蓄電閾値）以上であるため、バッテリー４０の蓄電エネルギーが、外部出力され、電装機器３７に供給される。そして、定常運転により燃料電池３から生じる電気エネルギーは、外部出力され、電装機器３７に供給される。
【０１２０】
このような方法では、燃料電池３の定常運転時において、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値以上である場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力する。そのため、燃料電池３の定常運転中において、例えば、燃料電池３の出力を一定に維持し、要求エネルギーの変動分をバッテリー４０から供給するなど、効率的に運転することができる。
【０１２１】
一方、燃料電池３の温度が第２温度閾値（例えば、６０℃）以上である場合（ステップＳ９のＹＥＳ）、燃料電池３は冷却されながら、定常運転される（以下、冷却・定常運転モードとする。）。
【０１２２】
冷却・定常運転モードでは、非冷却・定常運転モードと同様、バッテリー４０からの外部出力が許可されるか否かが判定される。
【０１２３】
より具体的には、冷却・定常運転モードでは、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値（第２蓄電閾値）以上であるか否かが判定される（ステップＳ１３）。
【０１２４】
ステップＳ１３における第２蓄電閾値とは、バッテリー４０からの外部出力の許可または許可を判定する値であり、好ましくは、ステップＳ６およびステップＳ１０における第２蓄電閾値と同じ値である。以下において、ステップＳ１３における第２蓄電閾値として、バッテリー４０の最大容量に対する６０％の値を採用して説明する。
【０１２５】
バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第２蓄電閾値（例えば、最大容量の６０％）未満である場合（ステップＳ１３のＮＯ）、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力することなく、燃料電池３を定常運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーを、外部出力する。
【０１２６】
また、このとき、コントロールユニット２９の制御により、冷却器５１を外部電力で作動させる。すなわち、燃料タンク２２内の燃料が、冷却供給ライン５２を介して冷却器５１に供給され、冷却された後、冷却還流ライン５３を介して燃料タンク２２に還流される。これにより、燃料タンク２２内の燃料が冷却される。そして、冷却された燃料が、燃料供給ライン３０を介して燃料電池３に供給されることにより、燃料電池３が冷却される（ステップＳ１４（冷却器：ＯＮ、ＢＡＴ：ＯＦＦ、ＦＣ：ＯＮ））。
【０１２７】
すなわち、このステップＳ１４では、燃料電池３の温度が上記の所定値（第１温度閾値）を超過するため、燃料電池３は定常運転され、かつ、燃料電池３の温度が上記の所定値（第２温度閾値）以上であるため、燃料電池３は冷却される。また、このとき、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が上記の所定値（第２蓄電閾値）未満であるため、バッテリー４０の蓄電エネルギーは、外部出力されない。そして、定常運転により燃料電池３から生じる電気エネルギーは、外部出力され、電装機器３７に供給される。
【０１２８】
一方、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が第２蓄電閾値（例えば、最大容量の６０％）以上である場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）、バッテリー４０の蓄電エネルギー量は、ステップＳ２の上記の所定値（第１蓄電閾値）未満、かつ、ステップＳ１０の上記の所定値（第２蓄電閾値）以上である。
【０１２９】
このような場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力するとともに、燃料電池３を定常運転させ、燃料電池３から生じた電気エネルギーを、外部出力する。
【０１３０】
また、このとき、コントロールユニット２９の制御により、外部電力またはバッテリー４０の電力（好ましくは、バッテリー４０の電力）で、冷却器５１を作動させる。すなわち、燃料タンク２２内の燃料が、冷却供給ライン５２を介して冷却器５１に供給され、冷却された後、冷却還流ライン５３を介して燃料タンク２２に還流される。これにより、燃料タンク２２内の燃料が冷却される。そして、冷却された燃料が、燃料供給ライン３０を介して燃料電池３に供給されることにより、燃料電池３が冷却される（ステップＳ１５（冷却器：ＯＮ、ＢＡＴ：ＯＮ、ＦＣ：ＯＮ））。
【０１３１】
すなわち、このステップＳ１５では、燃料電池３の温度が上記の所定値（第１温度閾値）を超過するため、燃料電池３は定常運転され、かつ、燃料電池３の温度が上記の所定値（第２温度閾値）以上であるため、燃料電池３は冷却される。また、このとき、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が上記の所定値（第２蓄電閾値）以上であるため、バッテリー４０の蓄電エネルギーが、外部出力され、電装機器３７に供給される。そして、定常運転により燃料電池３から生じる電気エネルギーは、外部出力され、電装機器３７に供給される。
【０１３２】
そして、電装機器３７による電力の要求が停止されるまで、上記の制御が繰り返される。
【０１３３】
このような燃料電池システム２の運転方法では、燃料電池３の定常運転時、かつ、冷却器５１の作動時において、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値（第２蓄電閾値）以上である場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力する。
【０１３４】
そのため、このような燃料電池システム２の運転方法によれば、燃料電池３の冷却中において、燃料電池３の出力が低下する場合にも、バッテリー４０により充分な電気エネルギーを外部出力でき、冷却中における出力エネルギーの低下を抑制できる。
【０１３５】
４．  作用・効果
上記の燃料電池システム２の運転方法では、燃料電池３の暖機運転時において、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値（第２蓄電閾値）以上である場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力する。そのため、燃料電池３の暖機運転中において、燃料電池３の出力が低下する場合にも、バッテリー４０により充分な電気エネルギーを外部出力でき、暖機運転中における出力エネルギーの低下を抑制できる。
【０１３６】
また、上記の燃料電池システム２の運転方法では、燃料電池３の定常運転時、かつ、冷却器５１の作動時において、バッテリー４０の蓄電エネルギー量が所定値（第２蓄電閾値）以上である場合には、バッテリー４０の蓄電エネルギーを外部出力する。
【０１３７】
そのため、上記の燃料電池システム２の運転方法によれば、燃料電池３の冷却中において、燃料電池３の出力が低下する場合にも、バッテリー４０により充分な電気エネルギーを外部出力でき、冷却中における出力エネルギーの低下を抑制できる。
【０１３８】
また、上記の燃料電池システム２の運転方法において、好ましくは、冷却器５１による冷却速度を適宜設定し、燃料電池３が徐冷されるよう、調製する。これにより、燃料電池３の急冷に由来する出力の低下を抑制することができる。
【符号の説明】
【０１３９】
２    燃料電池システム
３    燃料電池
４０  バッテリー
【図１】
2017157284.tif 000003
【図２】
2017157284.tif 000004