JP2021166147A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】インタークーラ内の生成水が凍結した場合であっても、インタークーラ内の生成水による冷却能力をより正確に推定することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１の制御装置５０は、インタークーラ３５内の生成水の凍結を判定する凍結判定部５０３と、エアコンプレッサ３４から吐出されるエアの要求圧力を算出する要求圧力算出部５０２と、要求圧力が、融解圧力以上であるときに、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を融解圧力に設定する吐出圧力設定部５０５と、凍結した生成水が融解するように設定された融解時間で、融解圧力で燃料電池スタック１０に発電させ、モータ９に発電した電力を供給する電力供給部５２０と、融解時間の経過後、インタークーラ３５内の凍結した生成水の融解が完了したものと推定する融解推定部５１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタックの発電によって生成される生成水によって、エアコンプレッサから取り込まれたエアをインタークーラで冷却する燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９−０２１５４５号公報

ところで、前記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、インタークーラの冷却性能は生成水の水量に依存する。ここで、インタークーラ内で生成水が凍結した場合、融解潜熱による冷却、生成水による顕熱による冷却、さらには気化潜熱による冷却の順に、冷却の形態が推移する。これらの冷却は、すべて冷却効率が異なる。したがって、気化潜熱を利用してエアを冷却するインタークーラの場合には、どのタイミングで、気化潜熱による冷却が実施可能であるかを把握できなければ、インタークーラの冷却性能の推定が困難となる。さらに、インタークーラに供給されるエアの圧力は、発電時に要求される電力に応じて変化するため、凍結した生成水の融解が完了する時間を特定することは困難である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、インタークーラ内の生成水が凍結した場合であっても、インタークーラ内の生成水による冷却能力をより正確に判断することができる燃料電池システムを提供することにある。

前記課題に鑑みて、本発明に係る燃料電池システムは、エアと燃料ガスにより発電し、モータに電力を供給する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにエアを供給するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサと前記燃料電池スタックとの間に配置され前記燃料電池スタックに供給されるエアを冷却するインタークーラと、前記燃料電池スタックで発電された電力を蓄電するバッテリと、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスの圧力と、前記エアコンプレッサが吐出するエアの吐出圧力と、を制御することにより、前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、を少なくとも備える燃料電池システムであって、前記インタークーラは、前記燃料電池スタックの発電時に生成される生成水が貯留され、前記インタークーラの壁部を介して、前記エアの熱を前記生成水に伝達し、前記生成水の気化潜熱により前記エアを冷却するものであり、前記制御装置は、前記インタークーラに貯留された生成水の凍結を判定する凍結判定部と、前記モータに要求される要求電力量に応じて、前記エアコンプレッサから吐出されるエアの要求圧力を算出する要求圧力算出部と、前記生成水が凍結していると判定したときに、前記生成水の凍結を融解するために設定された前記エアコンプレッサから吐出される融解圧力と、前記要求圧力とを比較して、前記要求圧力が前記融解圧力以上であるときに、前記エアコンプレッサの吐出圧力を前記融解圧力に設定する吐出圧力設定部と、前記凍結した生成水が融解するように設定された融解時間の間、前記融解圧力で前記燃料電池スタックに発電させ、発電した電力を前記モータに供給する電力供給部と、前記融解時間の経過後、前記インタークーラ内の凍結した生成水の融解が完了したものと推定する融解推定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、凍結判定部が、生成水が凍結していると判定したときに、吐出圧力設定部が、生成水の凍結を融解するために設定された融解圧力と、要求圧力とを比較し、要求圧力が、融解圧力以上であるときに、エアコンプレッサの吐出圧力を融解圧力に設定する。電力供給部は、この設定された融解圧力で、凍結した生成水が融解するように設定された融解時間の間、燃料電池スタックが電力に発電させる。

電力供給部により発電した時間に相当する融解時間の経過後、インタークーラ内の凍結した生成水はエアコンプレッサからのエアの熱により完全に溶解するので、融解推定部は、凍結した生成水の融解が完了したことを正確に推定することができる。したがって、融解時間の経過後には、インタークーラ内の生成水により冷却されるエアの温度をより正確に推定することができるため、インタークーラ内の生成水による冷却能力をより正確に判断することができる。

より好ましい態様としては、前記制御装置は、前記融解圧力で前記燃料電池スタックに発電させた際に、前記要求電力量に対して不足する不足電力量を算出する不足電力算出部を備えており、前記電力供給部は、前記融解圧力で発電した電力を前記モータに供給するとともに、前記不足電力量の電力を前記バッテリから前記モータに供給する。

この態様によれば、融解圧力で燃料スタックに発電させた際には、要求圧力よりも低い圧力で発電するため、モータに要求される要求電力が不足する。この態様では、不足電力算出部が、モータに要求される不足分の電力を算出し、電力供給部が、燃料電池スタックで発電した電力とともに、バッテリからの電力をモータに供給する。これにより、モータに要求電力を安定して供給することができる。

さらに好ましい態様としては、前記電力供給部は、前記バッテリに蓄電された電力量が規定値よりも小さい場合に、前記バッテリによる前記不足電力量の供給を禁止し、前記融解時間の間、前記融解圧力で前記燃料電池スタックに発電させるとともに、前記発電した電力を前記バッテリに蓄電する。

この態様によれば、融解圧力で燃料スタックに発電させた際に、バッテリに蓄電されている電力量が規定値よりも小さい場合には、バッテリの残量は十分でないため、電力供給部は、バッテリによる前記不足電力量の供給を禁止する。さらに、電力供給部は、融解時間、融解圧力で燃料電池スタックに発電させるとともに、発電した電力をバッテリに蓄電する。この間、モータへ発電した電力の供給が制限されるが、燃料電池スタックで発電された電力は、バッテリの蓄電に割り当てられるので、燃料電池スタックで発電された電力を、効率的に使用することができる。

さらに好ましい態様としては、前記融解圧力は、前記融解圧力で前記エアコンプレッサから吐出されるエアの融解温度が、前記燃料電池スタックに含まれる電解質膜の耐熱温度よりも低い温度となるように、設定されている。

この態様によれば、融解圧力でエアコンプレッサから吐出されるエアの温度が、燃料電池スタックに含まれる電解質膜の耐熱温度よりも低い温度となるので、電解質膜の劣化を抑えることができる。

さらに好ましい態様としては、前記凍結判定部は、外気温に基づいて、前記生成水の凍結を判定する。この態様によれば、生成水の凍結を外気温に基づいて判定するので、インタークーラ内に温度センサを設けることなく、より簡単な装置構成で、生成水の凍結を判定することができる。

本発明によれば、インタークーラ内の生成水が凍結した場合であっても、インタークーラ内の生成水による冷却能力をより正確に推定することができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態のシステム構成を概略的に示す模式図である。 図１に示す燃料電池スタックの模式的断面図である。 図１の燃料電池システムで用いるインタークーラの概略構造を示す模式図である。 図１の燃料電池システムにおけるエアコンプレッサから吐出されるエアの圧力と温度との関係を示すマップである。 図１に示す燃料電池システムの制御装置の制御ブロック図である。 図１の燃料電池システムの動作を示すフロー図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車に搭載されて駆動用電源として用いられている。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス系２０と、酸化剤ガス系３０と、冷媒系４０と、制御装置５０と、を少なくとも備えるものである。燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池であり、燃料電池スタック１０としては、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池等、他種の燃料電池を採用してもよい。

１．燃料電池システム１の燃料電池スタック１０について
図２は、燃料電池スタック１０の要部の模式的断面図である。図２に示すように、燃料電池スタック１０は、エアと水素ガスにより発電する際に生成水が生成されて排出される。燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１１が複数積層されている。各セル１１は、酸化剤ガスとなるエア）と、燃料ガスとなる水素ガスと、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１１は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）２と、ＭＥＧＡ（発電部）２同士を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池スタック１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池スタック１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側の接触部分７１が、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側の接触部分７２が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。接触部分７１、７２は、発電部であるＭＥＧＡ２で発電した電力を集電する集電部である。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状であり、この頂部（凸部）が、セパレータ３の接触部分７１、７２となる。具体的には、ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部である接触部分７１が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部である接触部分７２が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路６１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路６２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１１を介して対向する一方のガス流路６１に燃料ガスが供給され、他方のガス流路６２に酸化剤ガスが供給されると、セル１１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１１と、それに隣接するもうひとつのセル１１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の接触部分７２と、もうひとつのセル１１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の接触部分７２とが、面接触している。隣接する２つのセル１１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間６３には、セル１１を冷却する冷媒としての水が流通する。

２．燃料電池システム１について
図１に戻り、燃料電池システム１の全体構成について説明する。上述した燃料ガス系２０は、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する経路であり、水素ガスタンク２１と、水素ガス供給流路２２と、水素ガス排出流路２３と、水素ガス循環流路２４と、可変調圧弁２５と、インジェクタ２６と、気液分離器２７と、を少なくとも備えている。なお、水素ガス供給流路２２には、図示していないが水素ガスポンプ等が設置されている。水素ガスタンク２１は、燃料ガスとしての水素ガスが貯蔵される貯蔵タンクである。

水素ガスタンク２１に貯蔵された水素ガスは、可変調圧弁２５によって減圧されて、インジェクタ２６を介して、燃料電池スタック１０のセル内の燃料ガス流路に接続される水素ガス供給流路２２に供給される。可変調圧弁２５は、燃料電池スタック１０に要求される発電量（電力量）に応じて、水素ガスの圧力を設定する。

水素ガス排出流路２３は、燃料電池スタック１０で水素が消費された水素オフガスが流れる流路である。水素ガス循環流路２４は、水素ガス排出流路２３と、水素ガス供給流路２２におけるインジェクタ２６よりも下流側の部位と、に接続されており、気液分離器２７で水分が分離された水素オフガスを水素ガス供給流路２２に再循環させる。

そのため、燃料電池システム１において、水素ガスは、発電により水素が消費されつつ、水素ガス排出流路２３、水素ガス循環流路２４、水素ガス供給流路２２の一部、および、燃料電池スタック１０内に形成される水素ガスの流路を、図示していない水素ガスポンプで循環させる。

水素ガス排出流路２３と水素ガス循環流路２４との接続部に配置された気液分離器２７は、水素オフガス中の水分と、ガス（水素および窒素等）とを分離する機能を有する。水素オフガス中の発電で消費されなかった水素は、気液分離器２７で分離され、水素ガスポンプにより水素ガス供給流路２２に循環される。気液分離器２７で分離された水分や不純物は、気液分離器２７に接続されたパージ弁２８ａを備える水素ガス放出流路２８から酸化ガス排出流路３２を通して外部に排出される。

酸化剤ガス系３０は、エアを燃料電池スタック１０に供給する経路であり、酸化ガス供給流路３１と、酸化ガス排出流路３２と、バイパス流路３３と、を備えている。酸化ガス供給流路３１には、エアコンプレッサ３４と、インタークーラ３５と、湿度調節器３６と、が少なくとも配置されている。エアコンプレッサ３４は、燃料電池スタック１０に大気を圧縮したエアを供給するものである。インタークーラ３５は、エアコンプレッサ３４と燃料電池スタック１０との間に配置され、エアコンプレッサ３４で圧縮されて高温（たとえば１００℃を超える温度）となったエアを冷却する機能を有している。インタークーラ３５の詳細については後述する。

酸化ガス排出流路３２は、燃料電池スタック１０で酸素が消費された酸素オフガスを排出する経路であり、上流より酸素オフガス中の水分を回収するミストセパレータ３７Ａを備えており、その下流に酸化ガス供給流路３１に設置された湿度調節器３６が接続されている。酸素オフガス中に含まれる水分は、燃料電池スタック１０の発電時に生成された生成水である。湿度調節器３６は、燃料電池スタック１０に入る側のエアと、燃料電池スタック１０から出る側のエアの湿度を調節するものである。ミストセパレータ３７Ａで回収された水分は、止水弁を介して酸化ガス排出流路３２の下流側に排出される。

湿度調節器３６の下流には、エキスパンダ３８と、ミストセパレータ３７Ｂとを備えている。エキスパンダ３８は、内部にタービンを備えており、酸素オフガスが通過する際にタービンが回転し、この回転時の動力をエアコンプレッサ３４に供給して、エアの圧縮を補助する機能を有する。ミストセパレータ３７Ｂは、エキスパンダ３８を通過したエアオフガスの水分と、ミストセパレータ３７Ａで回収された水分と、気液分離器２７で分離された水分が酸化ガス排出流路３２を通して流入し、生成水として貯留するものである。

ミストセパレータ３７Ｂで貯留された生成水は、ミストセパレータ３７Ｂからインタークーラ３５に接続された配管３９を通して、インタークーラ３５に供給される。インタークーラ３５に供給された生成水は、その内部に貯留される。

インタークーラ３５は、エアコンプレッサ３４の起動時には、インタークーラ３５の壁部を介して、エアコンプレッサ３４からのエアの熱（たとえば１００℃を超えるエアの熱）を生成水に伝達し、生成水の気化潜熱によりエアを冷却するものである。なお、配管３９には、ミストセパレータ３７Ｂに溜められた生成水をインタークーラ３５に供給するポンプ（図示せず）が設置されていてもよく、ミストセパレータ３７Ｂの下流端には、図示していないマフラーが設けられていてもよい。

インタークーラ３５を通過したエアは、その下流に配置された湿度調節器３６により加湿され、燃料電池スタック１０に供給される。湿度調節器３６は、酸化ガス供給流路３１と酸化ガス排出流路３２とに跨って設置されており、酸化ガス排出流路３２に設置されたミストセパレータ３７Ａで貯留された燃料電池スタック１０の生成水の一部が流入される。

インタークーラ３５は、図３の概略構造を示す模式図のように、エアコンプレッサ３４で加熱されたエアが通過する流路３５Ａと、エアの温度よりも低温である生成水が貯留される貯留部３５Ｂとが、インタークーラ３５の壁部３５ａを介して隔てられている構造を有している。流路３５Ａは金属板材で形成した多数のフィンが設けられ、フィンの間をエアコンプレッサ３４で圧縮され高温となったエアが通過するようになっている。本実施形態では、インタークーラ３５の壁部３５ａを介して、熱交換が行われることで高温のエアを冷却し、生成水は気化して蒸発し、蒸気となる。すなわち、インタークーラ３５は、生成水の気化潜熱によりエアを冷却している。なお、貯留部３５Ｂには、燃料電池スタック１０の発電時に生成される生成水が、ミストセパレータ３７Ｂを介して燃料電池スタック１０から流れ込んで貯留される。本実施形態では、生成水が所定の貯留量以上なったときに（満水状態となったときに）、生成水は、貯留部３５Ｂから排出される。

インタークーラ３５内に貯留された生成水は、燃料電池システム１の停止時に、外気温が０℃以下のときに凍結する可能性がある。本実施形態の燃料電池システム１では、後述する制御装置５０の制御により、エアコンプレッサ３４のエアの熱により融解される。

冷媒系４０は、ラジエータ４１と、ラジエータ４１と燃料電池スタック１０内の冷媒流路とを循環させる冷媒流路４２と、図示していない冷媒ポンプと、を備えている。冷媒系４０は、冷媒流路４２を通して、冷媒を循環させ、ラジエータ４１で放熱させることで燃料電池スタック１０の内部を冷却する機能を有している。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０で発電される発電量を制御する制御装置５０を備えている。制御装置５０は、マイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、入出力ポートと、を有する。制御装置５０は、モータ駆動部５１、バッテリ５２、および負荷５３を制御するスイッチ５４に接続されている。スイッチ５４は電流計５５を介して燃料電池スタック１０に接続されている。電流計５５は燃料電池スタック１０から出力される電流値を測定するものである。

制御装置５０は、電流計５５の検出値が入力され、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力と、エアコンプレッサ３４から吐出するエアの吐出圧力とを制御することにより、燃料電池スタック１０の発電量を制御する。水素ガスの圧力は、制御装置５０により燃料ガス系２０に設置された可変調圧弁２５を制御することで、制御される。エアコンプレッサ３４から吐出するエアの吐出圧力は、制御装置５０によりエアコンプレッサ３４の出力を調整することで、制御される。

本実施形態では、燃料電池システム１は、外気温を検出する温度センサ５６を備えている。温度センサ５６の検出値は、制御装置５０に入力される。後述するように、制御装置５０により、外気温が０℃以下でインタークーラ３５内に貯留された生成水が凍結していると判断される。

モータ駆動部５１は、燃料電池スタック１０が発電した電力を用いて、図示していない燃料電池自動車のモータ９を駆動する機能を有する電気回路である。この燃料電池システム１では、モータ駆動部５１と並列に、バッテリ５２、負荷５３が接続されている。バッテリ５２は、燃料電池スタック１０から出力される電力よりもモータ駆動部５１で消費される電力が小さい場合に、燃料電池スタック１０で発電された余剰電力を蓄電する。また、バッテリ５２は電力が充分蓄電されている場合には、モータ駆動部５１に電力を供給する。負荷５３は、バッテリ５２が満充電されている状態において、まだ余剰電力がある場合に、この余剰電力を消費する。スイッチ５４は燃料電池スタック１０と、モータ駆動部５１と、バッテリ５２と、負荷５３との間における電力の供給を切り替える。

３．制御装置５０について
以下に、図５を参照しながら、燃料電池システム１の制御装置５０について説明する。図５は、制御装置５０に示す制御ブロック図であり、インタークーラ３５内の生成水の凍結から融解までの制御を行うための制御ブロック図である。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車（図示せず）に搭載されるものであり、燃料電池自動車の動力は、モータ９である。燃料電池システム１は、モータ９は、燃料電池スタック１０で発電した電力と、バッテリ５２で蓄電された電力とが、モータ９に供給されることにより、駆動する。

具体的には、制御装置５０には、ドライバのアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度が入力される。アクセル開度は、アクセルポジションセンサ（図示せず）により検出される。

図５に示すように、制御装置５０は、要求電力算出部５０１および要求圧力算出部５０２を備えている。要求電力算出部５０１は、制御装置５０に入力されたアクセル開度の検出信号に応じて、モータ９に要求される出力を算出し、この出力に応じて、モータ９に要求される要求電力を算出する。本実施形態では、要求電力算出部５０１は、アクセル開度に基づいて、モータ９に要求される要求電力を算出したが、たとえば、燃料電池自動車が自動運転走行する場合には、目標車速および目標加速度等から、モータ９に要求される要求電力を算出ししてもよい。

要求圧力算出部５０２は、要求電力算出部５０１で算出した要求電力量に応じて、エアコンプレッサ３４から吐出されるエアの要求圧力を算出するとともに、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガス（水素ガス）の要求圧力を算出する。インタークーラ３５に収容された生成水が凍結していない場合には、算出された要求圧力の値が、後述する発電実行部５１１に入力される。発電実行部５１１は、算出された要求圧力となるように、可変調圧弁２５を介して燃料ガス（水素ガス）の圧力を制御し、エアコンプレッサ３４を介してエアの吐出圧力を制御するように、可変調圧弁２５およびエアコンプレッサ３４に制御信号を出力する。これにより、（バッテリ５２による補助なく）燃料電池スタック１０のみで、要求電力量に応じた電力を、モータ９に供給することができる。

さらに、要求圧力算出部５０２で算出された要求圧力は、冷却温度推定部５１４に推定される。冷却温度推定部５１４は、インタークーラ３５により冷却されるエアの温度を推定する。具体的には、図４に示したエアコンプレッサ３４から吐出されるエアの温度と、インタークーラ３５に貯蔵された生成水の気化潜熱量から、要求圧力に対応して冷却されるエアの温度を推定する。なお、図５では図示していないが、たとえば、エアの温度が、電解質膜５の耐熱温度を超えると推定される場合には、制御装置５０の発電実行部５１１は、エアコンプレッサ３４から吐出されるエアの温度が耐熱温度以下となるように、要求圧力を制限する。この要求圧力の制限により、バッテリ補助実行部５１２は、燃料電池スタック１０からモータ９に供給される電力量が不足するため、不足した電力量を、バッテリ５２により補うように、バッテリ５２を制御する。

ところで、インタークーラ３５の貯留部３５Ｂに収容される生成水は、燃料電池システム１が氷点下環境で長時間起動されないときに、凍結することがある。この場合、インタークーラ３５は、生成水の気化潜熱を利用した冷却器であるため、生成水が凍結していると、インタークーラ３５を通過したエアの温度を推定することが難しい。特に、凍結した生成水の溶解が完了するまでの間、固体と液体が共存した状態となるため、エアの温度の推定はより難しくなる。

そこで、本実施形態では、制御装置５０に、図５に示す以下の構成を設けることにより、この点を解決している。本実施形態では、制御装置５０は、凍結判定部５０３と、融解圧力設定部５０４とを備えている。凍結判定部５０３は、インタークーラ３５内の生成水の凍結を判定する。凍結判定部５０３は、温度センサ５６が検出した燃料電池自動車の外気温が、０℃以下である場合には、インタークーラ３５に貯蔵されている生成水が凍結していると判定する。なお、本実施形態では、外気温により生成水の凍結を判定したが、たとえば、インタークーラ３５の貯留部３５Ｂの底部に温度センサ５６を配置し、生成水の温度を直接測定してもよい。

融解圧力設定部５０４には、生成水を融解するためにエアコンプレッサ３４から吐出する圧力が設定されている。本実施形態では、融解圧力は、融解圧力でエアコンプレッサ３４から吐出されるエアの融解温度が、燃料電池スタック１０に含まれる電解質膜５の耐熱温度よりも低い温度となるように、設定されている。融解圧力の設定は、融解圧力と融解温度との関係から求めることができる。

ところで、インタークーラ３５は、生成水の気化潜熱を利用した冷却を行い、生成水の気化潜熱（たとえば５３２ｃａｌ／ｇ）は、生成水の融解潜熱（たとえば８０ｃａｌ／ｇ）よりも大きいため、エアが１００℃を超える場合には、効率的な冷却を行うことができる。したがって、生成水が凍結しているときには、融解潜熱によりエアは冷却されるため、インタークーラ３５は本来の冷却能力を発揮することできない。ただし、融解圧力を電解質膜５の耐熱温度よりも低い温度に設定することにより、インタークーラ３５による本来の冷却能力が十分に発揮できない場合であっても、電解質膜５の劣化を抑えることができる。

本実施形態では、制御装置５０は、吐出圧力設定部５０５、発電電力算出部５０６、不足電力算出部５０７、バッテリ残量算出部５０８、通知部５１８、電力供給部５２０、融解推定部５１３、および冷却温度推定部５１４をさらに備えている。電力供給部５２０は、バッテリ補助判定部５０９、融解時間設定部５１０、発電実行部５１１、バッテリ補助実行部５１２を備えている。

吐出圧力設定部５０５は、凍結判定部５０３で、生成水が凍結していると判定したときに、融解圧力設定部５０４で設定された融解圧力と、要求圧力算出部５０２で算出された要求圧力とを比較する。その結果、吐出圧力設定部５０５は、要求圧力が融解圧力以上であるときに、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を融解圧力に設定する。ここで、たとえば、要求圧力が融解圧力以上であるときに、要求圧力で発電してしまうと、どの程度の時間で凍結した生成水の融解が完了するか把握することができない。本実施形態では、吐出圧力設定部５０５により吐出圧力を、一定の圧力である融解圧力に設定するので、安定した温度のエアをエアコンプレッサ３４から供給することができる。なお、要求圧力が、融解圧力未満である場合には、吐出圧力設定部５０５は、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を設定しない。これにより、要求圧力が融解圧力以上となるまで、燃料電池スタック１０の発電を禁止する。

発電電力算出部５０６は、設定された吐出圧力（すなわち、融解圧力）に基づいて、燃料電池スタック１０が発電する電力量を算出する。ここで、本実施形態では、融解圧力が、一定の圧力に設定されているため、燃料電池スタック１０が発電する電力量も一定である。したがって、発電電力算出部５０６を省略して、不足電力算出部５０７に一定の電力量を記憶させてもよい。

吐出圧力設定部５０５において、要求圧力が融解圧力よりも大きい場合には、融解圧力で発電すると、燃料電池スタック１０が発電する電力量は、要求電力量に対して不足してしまう。そこで、不足電力算出部５０７は、融解圧力で燃料電池スタック１０に発電させた際に、要求電力算出部５０１で得られた要求電力量に対して不足する不足電力量を算出する。

バッテリ残量算出部５０８は、バッテリ５２からの出力電圧等から、バッテリ５２に蓄電された電力量である残容量（ＳＯＣ：State of charge）を算出する。バッテリ補助判定部５０９は、融解圧力で燃料電池システム１の発電を行うことを前提として、残容量に基づいて、不足電力算出部５０７で得られた不足電力量をバッテリ５２に蓄電された電力をモータ９に補助的に供給するかの判定を行う。

融解時間設定部５１０は、インタークーラ３５の貯留部３５Ｂで凍結した生成水が融解するような時間（融解時間）が設定されている。ここで、融解時間は、たとえば貯留部３５Ｂに生成水が満水の状態で凍結した際に、凍結した生成水が、溶解圧力に応じてエアコンプレッサ３４から突出されるエアの温度で、溶解が完了する時間に設定されている。

この他にも、たとえば、融解時間設定部５１０は、燃料電池スタック１０の発電量の履歴と、エアコンプレッサ３４から吐出されるエアの温度履歴から、貯留部３５Ｂに貯留されている生成水の水量を推定し、この推定した水量に応じて凍結した生成水の融解が完了するのに要する時間を融解時間として設定してもよい。また、他にも、融解時間設定部５１０は、貯留部３５Ｂに貯留される生成水の水量を測定する水量計を設け、凍結前の水量を測定し、この水量に応じて凍結した生成水の融解が完了するのに要する時間を融解時間として設定してもよい。

発電実行部５１１は、融解時間設定部５１０により設定された融解時間の間、融解圧力で、燃料電池スタック１０を発電させる。具体的には、発電実行部５１１は、算出された要求圧力となるように、可変調圧弁２５を介して燃料ガスの圧力を制御し、エアコンプレッサ３４を介してエアの吐出圧力を制御する。

バッテリ補助実行部５１２は、バッテリ補助判定部５０９の判定結果に基づいて、バッテリ５２の電力をモータ９に補助的に供給するか否かを判定する。具体的には、バッテリ補助判定部５０９により、蓄電された電力量が規定値よりも小さいと判定した場合には、バッテリ５２による電力の補助は行わない。したがって、バッテリ補助判定部５０９は、後述するバッテリ補助実行部５１２により、バッテリ５２による不足電力量を供給することを禁止し、通知部５１８は、モータ９による燃料電池自動車の走行が準備中であることを表示装置５７に通知する。これと同時に、融解時間設定部５１０で設定された融解時間の間、融解圧力で燃料電池スタック１０に発電させるとともに、発電した電力をバッテリ５２に蓄電する。

この場合には、モータ９に発電した電力が供給されることが制限され、発電した電力は、バッテリ５２の蓄電に割り当てられる。したがって、燃料電池スタック１０で発電された電力を、効率的に使用する（蓄電する）ことができる。

一方、バッテリ５２に蓄電された残容量（ＳＯＣ）が規定値以上である場合には、融解時間設定部５１０で設定された融解時間の間、後述する発電実行部５１１により、融解圧力で発電した電力をモータ９に供給する。これと同時に、後述するバッテリ補助実行部５１２により、不足電力量の電力をバッテリ５２からモータ９に供給する。これにより、モータ９に要求される不足分の電力を、バッテリからモータ９に供給することができるので、モータ９に要求電力を安定して供給することができる。この結果、燃料電池自動車の安定した走行を実現することができる。

融解推定部５１３は、融解時間の経過後、インタークーラ３５内の凍結した生成水の融解が完了したものと推定する。冷却温度推定部５１４は、融解推定部５１３により、凍結した生成水の融解が完了したと推定した結果を受けて、インタークーラ３５で冷却されたエアの温度を推定する。このようにして、インタークーラ３５内の生成水が凍結した場合であっても、生成水が完全に溶解させた後、インタークーラ３５内の生成水により冷却されるエアの温度を推定するので、インタークーラ３５の冷却効率をより正確に把握することができる。

４．非凍結時の燃料電池システム１の動作について
前記の如く構成された本実施形態の燃料電池システム１の動作について説明する。この動作説明においては、燃料電池システム１を搭載した燃料電池自動車において、生成水が非凍結の燃料電池システム１の動作について説明する。起動スイッチをＯＮにして燃料電池システム１を起動し、燃料電池システム１を運転状態とする。ここで、生成水が凍結していない（外気温が０℃よりも高い）場合には、要求電力に応じて、制御装置５０の発電実行部５１１が、水素ガスを供給する燃料ガス系２０の可変調圧弁２５を制御し、水素ガス供給流路２２を通して水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する。

また、制御装置５０の発電実行部５１１は、エアを供給する酸化剤ガス系３０のエアコンプレッサ３４を制御し、酸化ガス供給流路３１を通してエアを燃料電池スタック１０に供給する。これにより、燃料電池スタック１０は、電解質膜５を間に介して、アノード側の流路に水素ガスが流れ、カソード側の流路にエアが流れ、スタック内部で化学反応により発電する運転状態となり、生成水が生成される。

反応後の水素オフガスは、水素ガス排出流路２３を通して気液分離器２７に入り、水分と気体に分離され、水分は水素ガス放出流路２８を通してミストセパレータ３７Ｂに入り、貯留される。気液分離器２７で分離された気体は水素ガス循環流路２４を通して水素ガス供給流路２２に合流され、インジェクタ２６により再び燃料電池スタック１０に供給され、循環する。

反応後の酸素オフガスは酸化ガス排出流路３２に入り、ミストセパレータ３７Ａで水分が回収され、湿度調節器３６で湿度が調節され、エキスパンダ３８を通して酸化ガス排出流路３２を通り、ミストセパレータ３７Ｂを通過して外部に排出される。酸素オフガスがエキスパンダ３８を通過する際に、図示していないタービンが回転され、エアコンプレッサ３４の回転を補い、エアの圧縮のアシストを実施する。

燃料電池スタック１０内の化学反応により、ミストセパレータ３７Ａで回収された水分と、気液分離器２７で分離された水分は生成水として、酸化ガス排出流路３２を通してミストセパレータ３７Ｂに貯留され、配管３９を通してインタークーラ３５に供給される。インタークーラ３５に供給された生成水は、貯留部３５Ｂに貯留にされる。

インタークーラ３５では、エアコンプレッサ３４で圧縮され高温となったエアが、供給された生成水により冷却される。すなわち、図３に示すように、流路３５Ａを、２００℃程度の高温のエアが通過し、流路３５Ａのフィンにより界面の壁面が高温となり、貯留部３５Ｂでは生成水が気化して気泡が発生する。この気化潜熱により高温のエアは生成水により冷却される。

燃料電池スタック１０に水素ガスとエアが供給され発電状態となった運転状態では、エアコンプレッサ３４で吐出されるエアの圧力とエアの温度との関係は、図４に示すグラフのように、圧力が高くなると温度が高くなる。本実施形態の燃料電池システム１のエアコンプレッサ３４は、たとえば、エアの圧力が１５０ｋＰＡ近傍で、エアの温度は１００℃程度となる。

そして、図４において、圧力が１５０ｋＰＡ以上であるとき、エアの温度が１００℃以上になり、このとき、インタークーラ３５の貯留部３５Ｂの生成水は沸騰する。このように、生成水が沸騰して気化するときの気化潜熱により、２００℃程度の高温のエアは熱交換されて冷却される。

５．凍結時の燃料電池システム１の動作について
生成水が凍結時における燃料電池システム１の動作について、図６を参照しながら、以下に説明する。まず、ステップＳ６０１において、非凍結時の場合と同様に燃料電池システム１を起動する。次に、制御装置５０で、要求電力算出部５０１および要求圧力算出部５０２で、モータ９に要求される要求電力と、燃料電池スタック１０にエアを供給するエアコンプレッサ３４の要求圧力を算出する。

次に、ステップＳ６０３に進み、凍結判定部５０３により、燃料電池自動車の停止時および燃料電池システム１の起動時の外気温は０℃以下であるか、を判断する。外気温が０℃より高いときには、インタークーラ３５内の生成水が凍結していないので、制御装置５０は、上述した非凍結時の制御を行う。すなわち、ステップＳ６１８に進む。

ステップＳ６０３で、外気温が０℃以下ときには、凍結判定部５０３により、インタークーラ３５内の生成水が凍結していると判定し、ステップＳ６０４に進む。ステップＳ６０４では、吐出圧力設定部５０５により、エアコンプレッサ３４の要求圧力が融解圧力以上であるかを判定し、要求圧力が融解圧力以上である場合には、ステップＳ６０５に進み、吐出圧力設定部５０５により、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を融解圧力に設定する。一方、要求圧力が融解圧力より小さい場合には、ステップＳ６０２に戻る。

ステップＳ６０６では、発電電力算出部５０６により、融解圧力で燃料電池スタック１０に発電させた際の発電電力量を算出し、ステップＳ６０７に進む。ステップＳ６０７では、不足電力算出部５０７により、融解圧力で燃料電池スタック１０が発電した際に、要求電力量に対して不足する不足電力量を算出し、ステップＳ６０８に進む。

ステップＳ６０８では、バッテリ補助判定部５０９により、バッテリ５２の残容量（ＳＯＣ）が規定値以上であるか、を判定する。ここで、バッテリ５２の残容量が規定値以上であると判定した場合には、ステップＳ６０９に進む。ステップＳ６０９では、電力供給部５２０により、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を融解圧力に保持し、融解圧力で発電した電力をモータ９に供給するとともに、不足電力量の電力をバッテリ５２からモータ９に供給する。これにより、融解圧力で発電される燃料電池スタック１０からの電力の不足分を、バッテリ５２の電力で補うことができる。

ステップＳ６１０では、発電実行部５１１により、燃料電池スタック１０による発電の経過時間を積算し、ステップＳ６１１に進む。ステップＳ６１１では、融解推定部５１３により、発電の経過時間が融解時間以上であるかを判定し、ステップＳ６１７に進む。ステップＳ６１７では、融解推定部５１３により、発電の経過時間が融解時間以上である場合には、インタークーラ３５内の凍結した生成水の融解が完了したものと推定する。一方、発電の経過時間が融解時間未満である場合には、生成水の融解がまだ完了していない可能性があるので、ステップＳ６０９に戻る。

ステップＳ６０８では、バッテリ補助判定部５０９により、バッテリ５２の残容量が規定値未満であると判定した場合には、バッテリ５２の電力をモータ９に補助的に供給したとしても、モータ９に所望の電力量の電力を供給できないと判断でき、ステップＳ６１２に進む。

したがって、ステップＳ６１２では、燃料電池自動車が走行できないと判断し、通知部５１８を介して、表示装置５７に「準備中」を表示し、ステップＳ６１３に進む。ステップＳ６１３では、電力供給部５２０により、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を融解圧力に保持し、燃料電池スタック１０に融解圧力で発電させ、ステップＳ６１４に進む。ステップＳ６１４では、バッテリ５２からモータ９に電力を供給することを禁止し、燃料電池スタック１０で、発電した電力をバッテリ５２に蓄電する。

ステップＳ６１５では、発電実行部５１１により、燃料電池スタック１０による発電の経過時間を積算し、ステップＳ６１６に進む。ステップＳ６１５では、融解推定部５１３により、発電の経過時間が融解時間以上であるかを判定し、ステップＳ６１７に進む。ステップＳ６１７では、融解推定部５１３により、発電の経過時間が融解時間以上である場合には、インタークーラ３５内の凍結した生成水の融解が完了したものと推定する。一方、発電の経過時間が融解時間未満である場合には、生成水の融解がまだ完了していない可能性があるので、ステップＳ６１３に戻る。

ステップＳ６１７で、融解推定部５１３により、インタークーラ３５内の凍結した生成水の融解が完了したものと推定された場合には、インタークーラ３５内の生成水の気化潜熱により、エアコンプレッサ３４から吐出されるエアを冷却できると判断できる。すなわち、生成水が非凍結の状態における、燃料電池システム１の通常運転を実施することができる。

したがって、ステップＳ６１８では、エアコンプレッサ３４の吐出圧力を、要求圧力に設定し直し、要求圧力で、燃料電池スタック１０の発電を行うとともに、発電した電力をモータ９に供給する。このような結果、冷却温度推定部５１４により、インタークーラ３５を通過するエアの温度を正確に推定し、インタークーラ３５の冷却能力を正確に把握することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

本実施形態では、バッテリ補助判定部により、バッテリに蓄電された電力量が規定値よりも小さい場合に、バッテリによる不足電力量の供給を禁止した。しかしながら、たとえば、ドライバからの燃料電池システムの停止指令の前に、制御装置が、バッテリに規定値以上の電力を、燃料電池システムからの電力で蓄電することができるのであれば、バッテリ補助判定部による判定を行わずに、バッテリの補助を実行してもよい。この場合には、制御装置から、不足電力算出部とバッテリ補助判定部とを省略することができる。さらに、融解圧力による発電により燃料電池自動車を一定の低速で走行させてもよい場合には、バッテリ補助実行部を省略することができる。

１：燃料電池システム、５：電解質膜、１０：燃料電池スタック、３４：エアコンプレッサ、３５：インタークーラ、５０：制御装置、５２：バッテリ、５６：温度センサ、５０２：要求圧力算出部、５０３：凍結判定部、５０５：吐出圧力設定部、５０７：不足電力算出部、５１３：融解推定部、５２０：電力供給部

Claims (5)

1. エアと燃料ガスにより発電し、モータに電力を供給する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにエアを供給するエアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサと前記燃料電池スタックとの間に配置され前記燃料電池スタックに供給されるエアを冷却するインタークーラと、
   前記燃料電池スタックで発電された電力を蓄電するバッテリと、
   前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスの圧力と、前記エアコンプレッサが吐出するエアの吐出圧力と、を制御することにより、前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、を少なくとも備える燃料電池システムであって、
   前記インタークーラは、前記燃料電池スタックの発電時に生成される生成水が貯留され、前記インタークーラの壁部を介して、前記エアの熱を前記生成水に伝達し、前記生成水の気化潜熱により前記エアを冷却するものであり、
   前記制御装置は、前記インタークーラに貯留された生成水の凍結を判定する凍結判定部と、
   前記モータに要求される要求電力量に応じて、前記エアコンプレッサから吐出されるエアの要求圧力を算出する要求圧力算出部と、
   前記生成水が凍結していると判定したときに、前記生成水の凍結を融解するために設定された前記エアコンプレッサから吐出される融解圧力と、前記要求圧力とを比較して、前記要求圧力が前記融解圧力以上であるときに、前記エアコンプレッサの吐出圧力を前記融解圧力に設定する吐出圧力設定部と、
   前記凍結した生成水が融解するように設定された融解時間の間、前記融解圧力で前記燃料電池スタックに発電させ、発電した電力を前記モータに供給する電力供給部と、
   前記融解時間の経過後、前記インタークーラ内の凍結した生成水の融解が完了したものと推定する融解推定部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、
   前記融解圧力で前記燃料電池スタックに発電させた際に、前記要求電力量に対して不足する不足電力量を算出する不足電力算出部を備えており、
   前記電力供給部は、前記融解圧力で発電した電力を前記モータに供給するとともに、前記不足電力量の電力を前記バッテリから前記モータに供給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。
3. 前記電力供給部は、前記バッテリに蓄電された電力量が規定値よりも小さい場合に、前記バッテリによる前記不足電力量の供給を禁止し、前記融解時間の間、前記融解圧力で前記燃料電池スタックに発電させるとともに、前記発電した電力を前記バッテリに蓄電することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記融解圧力は、前記融解圧力で前記エアコンプレッサから吐出されるエアの融解温度が、前記燃料電池スタックに含まれる電解質膜の耐熱温度よりも低い温度となるように、設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記凍結判定部は、外気温に基づいて、前記生成水の凍結を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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