JP4595314B2

JP4595314B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4595314B2
Application number: JP2003386025A
Authority: JP
Inventors: 剛一白石
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: JP2005149914A

Description

この発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、低温下において燃料電池を暖機する機能を備えた燃料電池システムに関するものである。

固体高分子型燃料電池では発電に伴い水が生成される。また、電解質のイオン伝導性を持たせるために電解質膜を湿潤に保つ必要があり、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方の電極の加湿用に、水が溜められたタンクが装置内に設けられているのが一般的である。

一般に燃料電池は50〜80℃で運転するのが望ましい。温度が低いと電解質膜を介しての反応活性が低下し効率良く反応が進まなくなる。逆に高温になると、電解質膜が乾燥し、電気抵抗が大きくなり、出力が低下する。
こうした、燃料電池の温度調節や加湿を行う方法として、燃料電池空気極に水を噴射する方式がある。この方式においては、噴射した水が燃料電池セル内で蒸発し、その際の蒸発潜熱で燃料電池を冷却するとともに、発生する水蒸気で電解質膜付近の加湿を行うものである。冷却と加湿が同時に行えることから、システムを簡素に構成することができる特徴がある。

しかし、低温下で燃料電池システムを使用する場合、タンク内の水が凍結し、水噴射が不能となり、電解質膜付近を加湿できない場合がある。特に、このような問題は、燃料電池を始動する際に発生する。
このような問題を解決するために、従来は以下のような先行技術が提案されている。
特開平０６−２２３８５５号。特開２０００−１４９９７０号。特願平０７−９４２０２号。

上記特許文献１、２は、水を断熱容器内に保管しておく構成を採用している。しかし、この構成は、燃料電池システム自体が、長時間氷点下に曝された場合には、効果はなく、収容された水は凍結する。
特許文献３は、電気ヒータなどの加熱装置によって、凍結した水を解凍するものである。この構成では、解凍速度を速めるために大量の熱量を発生する大型の加熱装置を用いる必要があり、燃料電池システム自体の大型化を招く。また、消費エネルギーも増大し、エネルギー効率も悪化してしまう。

また、水を供給することなく、低温下で始動を開始すると、以下のような問題が発生する。つまり、低負荷時には、燃料電池の発熱量が小さく、かつ外気温度も低いため、酸化剤として供給された空気によって酸化極が冷やされ、生成水が凍結する。また、高負荷時には、燃料電池の発熱量が大きく、蒸発潜熱による冷却ができないため、燃料電池の温度が上がりすぎ電解質膜が乾くドライアップ現象が生じる。
この発明の目的は、低温下における電解質膜に水を供給できない状況において、燃料電池の発電を制御できる燃料電池システムを提供することにある。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１）酸化剤として外気中の空気が供給される空気極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記空気極と前記燃料極に挟まれた電解質膜とを備えた燃料電池と、
空気極に空気を供給する空気供給手段と、
該空気供給手段からの空気供給量を設定する空気供給量設定手段と、
燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、
空気極に供給される直噴水の解凍状況を判断する解凍判定手段とを備え、
前記空気供給量設定手段は、始動から直噴水が解凍されるまでの間、直噴水が供給された状態で発電する場合の空気供給量に比較して、低負荷状態では、空気供給量を低く、高負荷状態では、空気供給量を高く設定することを特徴とする燃料電池システム。

（２）酸化剤として外気中の空気が供給される空気極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記空気極と前記燃料極に挟持された電解質膜とを備えた燃料電池と、
空気極に空気を供給する空気供給手段と、
該空気供給手段からの空気供給量を設定する空気供給量設定手段と、
外気温度を検出する外気温検出手段と、
空気極に供給される水の解凍状況を判断する解凍判定手段とを備え、
前記空気供給量設定手段は、燃料電池の始動から水が解凍されるまでの間、外気温検出手段によって検出された外気温度に基づき、外気温度が低くなるほど空気の供給量を小さく設定することを特徴とする燃料電池システム。

（３）さらに、燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段を有し、前記空気供給量設定手段は、さらに負荷検出手段により検出された検出値に基づき、負荷が上昇するに従って空気供給量を高く設定する上記（２）に記載の燃料電池システム。

（４）さらに、供給される空気を暖める暖機手段を有し、
前記空気供給量設定手段は、前記供給量決定手段によって決定された供給量が、前記空気供給手段によって制御可能な供給量の範囲の下限値よりも低い場合には、前記暖機手段により空気を暖める上記（１）〜（３）のいずれか１に記載の燃料電池システム。

（５）さらに、燃料電池の負荷を制限する負荷制限手段を有し、前記空気供給量設定手段は、前記供給量決定手段によって決定された供給量が、前記空気供給手段によって制御可能な供給量の範囲の上限値よりも高い場合には、前記負荷制限手段により負荷を制限する上記（１）〜（４）のいずれか１に記載の燃料電池システム。

（６）前記解凍判定手段は、直噴水タンク内の水温度を検出する直噴水温度検出手段と、検出温度が解凍温度を越えたときに解凍したものと判断する判断手段とを有する上記（１）〜（５）のいずれか１に記載の燃料電池システム。

（７）前記解凍判定手段は、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、検出された燃料電池温度が所定温度に達したときに解凍したものと判断する判断手段とを有する上記（１）〜(６)のいずれか１に記載の燃料電池システム。

請求項１に記載の発明によれば、発熱量が小さい低負荷状態では空気供給量を小さくするので、生成水の凍結を抑制できる。また、発熱量の大きい高負荷状態では、温度の低い外気が多量に供給されるで、燃料電池の過熱を抑制できる。このように、燃料電池の暖機を行いつつ、発電反応を維持させることができる。

また、このような構成の燃料電池を車両に搭載した場合、発電反応が維持されるため、氷点下でも走行することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、外気温に基づき空気の供給量が決定されるので、直噴水の解凍までの間、燃料電池の暖機を効率良く行い、かつ発電反応を維持させることができる。特に、外気温度が低くなるに応じて、供給量を減らすため、供給された空気との熱交換による燃料電池の温度低下を抑えつつ発電を維持することができ、生成水の凍結が抑制できる。
請求項３に記載の発明によれば、負荷に応じて空気供給量を設定できるので、空気の過剰供給を抑制し、発電効率を上げることができる。

請求項４に記載の発明によれば、決定された空気供給量が、空気供給量の制御可能範囲の下限値よりも低い場合には、空気供給量の調整のみでは燃料電池温度を制御することが困難となるため、暖機手段を用いて供給する空気を暖めることにより、燃料電池温度の制御を可能とする。

請求項５に記載の発明によれば、決定された空気供給量が、空気供給量の制御可能範囲の上限値よりも高い場合には、空気供給量の調整のみでは燃料電池温度を制御することが困難となるため、空気供給量が制御可能範囲内に留まるよう負荷を制限し、燃料電池の過熱を抑制する。
請求項６に記載の発明によれば、直噴水の解凍するまでの空気供給量を調整するので、空気の過剰供給が抑制される。

請求項７に記載の発明によれば、燃料電池が所定の温度に到達した時点で、解凍されたものと判断することで、水タンクの検出手段を設ける必要がなくなり、構成を簡易にすることができる。
また、燃料電池が十分に暖まった後に、水を供給することとなるので、水の供給によって暖機速度を抑制することが防止される。

以下、本発明の燃料電池の燃料電池システム１について、添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０へ燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給系１１と、燃料電池スタック１０へ空気を供給する空気供給系４０と、水循環系５０と、負荷系７と、制御装置８とを備えている。

図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
燃料電池スタック１０は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。

集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。

集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。

凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。

燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。

各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１０内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１０内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。

集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１０の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。

このように構成された燃料電池スタック１０の鉛直上側には、空気マニホールドが設けられ、該空気マニホールド内には、直噴ノズルが設けられている。直噴ノズルから噴射される水（水滴）は、霧状となって空気流入部３２６へ空気とともに流入し、空気流通路３２５内で付着した水滴が蒸発して、その時の蒸発潜熱で燃料電池スタック１０を冷却するとともに、他方で酸素極２１に水分を供給する。残りの水分は、空気とともに空気流出部３２７から、燃料電池スタック１０の外に流出する。

次に、燃料電池スタック１０へ燃料ガスである水素ガスを供給する燃料供給系１１について説明する。燃料供給系１は、水素貯蔵タンク１１０と、水素導通路１２０と、水素導出路１３０と、循環路１４０を備えている。水素貯蔵タンク１１０は、例えば水素吸蔵合金により水素を収納したもの、或は、高圧水素ガスが封入された高圧ガスボンベなどが用いられる。水素貯蔵タンク１１０の水素排出口には、水素導通路１２０の一端が接続されている。水素導通路１２０の他端には、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給通路３１９ａに接続されている。水素導通路１２０には、水素貯蔵タンク１１０から燃料電池スタック１０へ向けて（下流方向へ向けて）、水素充填口１２１、水素一次センサＳＨ1、水素調圧弁ＶＨ１、水素供給電磁弁ＶＨ２、水素二次センサＳＨ２の順に設けられている。

水素一次圧センサＳＨ１は、水素貯蔵タンク１１０から供給される水素ガス圧力を検出し、制御装置８へ検出値を供給する。水素調圧弁ＶＨ１は、水素貯蔵タンク１１０の圧力を、燃料電池スタック１０へ供給する水素ガス圧に調整する。水素供給電磁弁ＶＨ２は、開閉によって、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給を制御する。この開閉は、制御装置８によって制御される。水素二次圧センサＳＨ２は、水素調圧弁ＶＨ１によって調整された、燃料電池スタック１０へ供給されるガス圧を検出し、制御装置８へ検出値を供給する。

水素導出路１３０の一端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス排出通路３１９ｂに接続され、他端は外気に連通した排出端となっている。燃料電池スタック１０内を通過した水素ガスは、この水素導出路１３０を介して、外部に排出される。水素導出路１３０には、燃料電池スタック１０側から、排出端へ向けて（下流方向へ向けて）、順に、逆止弁１３１、水素排気電磁弁ＶＨ３が設けられている。逆止弁１３１は、排出端からの外気の流入や水素ガスの逆流を防止するためのものである。水素排気電磁弁ＶＨ３の開閉は、制御装置８によって制御される。水素排気電磁弁ＶＨ３が閉じ状態の場合、後述する循環路１４０に水素ガスが流通する。

循環路１４０の一端は、水素導出路１３０の逆止弁１３１と燃料電池スタック１０との間に接続され、他端は、水素導通路１２０の水素二次圧センサＳＨ２の下流側に接続されている。循環路１４０には、水素導出路１３０側の端から水素導通路１２０側の端へ向けて、逆止弁１４１、凝縮器１４２、フィルタ１４３、水素循環ポンプＰＨ１が順に設けられている。水素導通路１２０と、水素導出路１３０と、循環路１４０と、燃料電池スタック１０とによって、循環回路が構成され、循環ポンプＰＨ1の駆動によって、該循環回路を水素ガスが循環する。水素ガスが循環する方向は、水素導通路１２０、燃料電池スタック１０、水素導出路１３０、循環路１４０、水素導通路１２０の順となる。水素ガスの循環は、循環ポンプＰＨ１によって強制的に行われる。逆止弁１４１は、水素ガスの逆流を防止する。凝縮器１４２は、燃料電池スタック１０から排出された水素ガスに含まれる、燃料電池スタック１０で生成された生成水を、水素ガスから分離する作用を有する。フィルタ１４３は、水素ガス内の不純物を回収する。

次に空気供給系４０について説明する。空気供給系４０は、外気を燃料電池スタック１０へ導く空気導通路４３と、燃料電池スタック１０から排出された空気を、外部に導く空気排出路４７とを備えている。空気導通路４３は、一端に外気取入口４０１を、他端には空気マニホールド４４を備え、外気取入口４０１から空気マニホールド４４へ向けて、外気を流通させる。空気導通路４３には、外気取入口４０１から空気マニホールド４４へ向けて、空気入口フィルタ４１、外気温検出手段としての外気温度センサＳＡ１、空気供給ファン４２、暖機手段であるヒータ４５、空気入口温度センサＳＡ２が、この順に設けられている。

空気入口フィルタ４１は、外気に含まれている埃などの不純物を濾過する。外気温度センサＳＡ１の検出温度は、制御装置８に入力される。空気供給ファン４２は、外気を燃料電池スタック１０へ供給する空気供給手段として機能する。この空気供給量は、制御装置８によって制御される。ヒータ４５は、取り込んだ外気を加熱する作用を有する。ヒータ４５のオン／オフや、加熱する熱量は、制御装置８によって制御される。ヒータ４５は、例えば電熱線によって構成することができる。空気入口温度センサＳＡ２は、燃料電池スタック１０に供給される直前の空気の温度を検出する。この検出値は、制御装置８に供給される。空気マニホールド４４は、燃料電池スタック１０の空気流入部３２６が開口している側面に覆い被せられるように設けられ、空気導通路４３によって導かれた外気を、各空気流入部３２６にそれぞれ分配する。この空気マニホールド４４には、噴射ノズル５３が設けられており、噴射ノズル５３からは、霧状の水が、空気マニホールド４４内に噴射される。

空気排出路４７は、一端が燃料電池スタック１０の空気流出部３２７に接続され、
各空気流出部３２７から流出した空気を、合流させて、他端の空気排出口４７０から外部に排出する。空気排出路４７は、空気流出部３２７から空気排出口４７０へ向けて（下流方向へ向けて）、燃料電池スタック温度センサとしての排気温度センサＳＡ３、凝縮器５４、フィルタ４６が、この順で設けられている。

排気温度センサＳＡ３の検出温度は、制御装置８に供給される。制御装置８では、この検出温度に基づき、燃料電池スタック１０内の温度を判定する。凝縮器５４は、排出空気に含まれる水蒸気や、水分を空気から分離する。フィルタ４６は、空気に含まれる不純物を除去する。空気供給系４０において、空気は、空気導通路４３、燃料電池スタック１０の空気流通路３２５、空気排出路４７の順で流通し、空気流通路３２５を空気が流通する際に、酸素極２１に酸素が供給される。

水循環系５０は、水タンク５１と、水タンク５１に一端が接続されている水供給路５２と、水供給路５２の他端が接続され、空気マニホールド４４内に水を噴射する噴射ノズル５３と、水蒸気又は霧状となって空気とともに通過する空気流通路３２５と、空気排出路４７と、凝縮器５４と、凝縮器５４で回収された水を水タンク５１へ導く回収路５５とから構成されている。そして、水供給路５２には、水タンク５１から噴射ノズル５３に向けて、外気導入電磁弁ＶＷ２、水フィルター５６、直噴ポンプＰＷ１、直噴水供給電磁弁ＶＷ1が、この順で設けられている。水タンク５１には、水温センサＳＷ１と、水位センサＳＷ２と、ヒータ５１１が設けられている。回収路５５には、凝縮器５４から水タンク５１へ向けて、フィルタ５５１、水回収ポンプＰＷ２が、この順で設けられている。

また、水素供給系１１に設けられた、凝縮器１４２と、水タンク５１の間には、生成水回収路５７が設けられており、この生成水回収回路５７には、水回収電磁弁ＶＷ3が設けられている。この凝縮器１４２は、水タンク５１より鉛直上方に位置し、回収された生成水は、凝縮器１４２から水タンク５１へ向けて流れ落ちるように、生成水回収路５７が構成されている。

外気導入電磁弁ＶＷ２、直噴水供給電磁弁ＶＷ1及び水回収電磁弁ＶＷ3の開閉は、制御装置８によって制御される。また、ヒータ５１１、直噴水ポンプＰＷ1及び水回収ポンプＰＷ2のオン／オフは、制御装置８によって制御される。また、水温センサＳＷ１と水位センサＳＷ２の検出値は、制御装置８に供給される。

水タンク５１の水は、直噴ポンプＰ2によって吸い上げられ、噴射ノズル５３から空気マニホールド４４内に噴射され、空気とともに、空気流通路３２５内を通過する。この際、酸素極２１に付着して、酸素極２１を湿潤状態に保つ働きがあり、また、蒸発潜熱により燃料電池スタック１０を冷やし、発電時の反応熱による過熱を抑制する。噴射ノズル５３は、各空気流通路３２５に均一に水を供給するために、複数設けられていることが好ましい。

水タンク５１は、例えば、空気排出路４７に接触させて設けることができる。燃料電池スタック１０からの排出空気は、燃料電池の反応熱により暖められており、水タンク５１に排気空気を接触させることによって、水タンク内の凍結した水との熱交換が起こり、解凍を促進する効果がある。また、排気空気側は、冷やされるので、蒸気の回収を促進する効果もある。また、水タンク５１を燃料電池スタック１０の鉛直上方に設けた場合には、燃料電池スタック１０の周囲で温められた気体が上昇して、水タンク５１を暖める作用を発揮し、凍結した水の解凍を補助する作用が発揮される。

負荷系７は、燃料電池スタック１０が電力を取り出し、インバータ７２を介して、モータ７３等の負荷を駆動させる。この負荷系７には、スイッチのためのリレー７１と、燃料電池スタック１０の出力を計る、負荷検出手段としての電流計ＳＩ、電圧計ＳＶが設けられている。また、負荷に対して並列に、補助出力源となる二次電池であるバッテリ７４が、出力制御装置７５を介して設けられている。二次電池は、この他キャパシタ等の他の装置を用いることもできる。なお、図示しないインバータコントローラによって、インバータの要求出力に制限を加えることができる。
リレー７２のオン／オフは、制御装置８によって行われる。また、電流計ＳＩ、電圧計ＳＶの検出値は、制御装置８に供給される。

以下、始動時の本発明の燃料電池システム１について、その第１実施形態の作動について、図４に示されているフローチャートに基づき説明する。
イグニッションオンにより、始動を開始し、起動ルーチンを開始する。水素供給電磁弁ＶＨ２を開き、水素供給を開始するとともに、排気電磁弁ＶＨ３を所定時間又は燃料電池電圧が所定の値になるまで開放し、水素極室を水素ガスに置換する。その後、空気供給ファン４２を始動させ、空気の供給を開始する。

外気温度センサＳＡ1の検出温度から、通常運転ルーチンを実行するか、低温起動ルーチンを実行するか判断する。例えば、外気温度が、冷却液の凍結温度より低い場合には、低温起動ルーチンを実行する。冷却液が、例えば水の場合には、摂氏０度を凍結温度とすることができる。

図４は、低温起動ルーチンを示すものである。電流計ＳＩから燃料電池出力電流Ｉｆｃを、空気入口センサＳＡ2から空気温度Ｔairを、水温度センサＳＷ1から水温度Ｔｗを取得する（ステップＳ１０１）。次に、水温度Ｔｗが凍結温度Ｔａを越えているか、を判断する（ステップＳ１０３）。凍結温度Ｔａを超えている場合には、水タンク５１内の水は、凍結していないと判断できるので、水タンクのヒータ５１１のスイッチはオフの状態とし（ステップＳ１０５）、通常の空気流量制御を行う。通常の空気流量制御とは、直噴水供給電磁弁ＶＷ１を開き、直噴水ポンプＰＷ1を駆動し、噴射ノズル５３から水を噴射した状態として、図５に示されているマップに基づき、通常時の空気流量曲線（破線）から、燃料電池出力電流Ｉｆｃに応じた空気流量Ｑairを決定する。

図５に示されているマップは、燃料電池出力電流Ｉｆｃに応じて決定される空気流量Ｑairを示すＩｆｃ−Ｑair線（破線）であり、電流値Ｉｆｃが低い場合には、空気流量Ｑairは低く、電流値Ｉｆｃが上昇するに従って、空気流量Ｑairが高くなる関係を示している。空気供給量の調整は、空気供給ファン４２の出力を調整することにより行われる。

排気温度センサＳＡ３の検出に基づき、燃料電池スタック１０の温度を検出し、この温度が所定の温度に到達した時、燃料電池スタック１０の暖機が完了したものとして、通常運転ルーチンに移行する。

次に、ステップＳ１０３において、水温度Ｔｗが凍結温度Ｔａを越えていないと判断した場合には、水タンク５１内の水は凍結しているものと判断する。水が凍結しているのであるから、噴射ノズル５３からの水の供給はできないので、水タンク５１のヒータ５１１をオンし解凍を開始する（ステップＳ１０９）。そして、解凍が完了するまでの間、図５に示されている空気流量曲線（実線）から、燃料電池出力電流Ｉｆｃ及び外気温度Ｔａに応じた空気流量Ｑairを決定する（ステップＳ１１１）。このマップは、燃料電池出力電流Ｉｆｃと、外気温度Ｔａに応じて決定される空気流量Ｑairを示すＩｆｃ−Ｑair線（実線）であり、電流値Ｉｆｃが低い場合には、空気流量Ｑairは低く、電流値Ｉｆｃが上昇するに従って、空気流量Ｑairが高くなる関係である。さらに、電流値Ｉｆｃが低い領域（低負荷領域）では、通常時（水が凍結しておらず、噴射ノズルから水が供給されている状態）に決定される空気供給量よりも、空気供給量は低くなるように設定されている（破線よもり実線が下側に位置する。）。低負荷領域では発熱量が小さいため、低温の空気が供給されることによる生成水の凍結を抑制するためである。また、水がセルに供給されていない場合には、セル電圧は、そうでない場合に比べて安定しているので、空気供給量を減らすことができる。

また、電流値Ｉｆｃが高い領域（高負荷領域）では、通常時（水が凍結しておらず、噴射ノズルから水が供給されている状態）に決定される空気供給量よりも、空気供給量は高くなるように設定されている（破線よもり実線が上側に位置する。）。これにより、燃料電池発熱量が大きい高負荷側においては、供給される空気によって燃料電池が冷やされ、水が供給されない状態であるにもかかわらず、過熱を抑制することができる。また、外気温度Ｔairが低くなるに従って、空気供給量は、低くなるように設定される。低負荷領域では、一層、生成水の凍結を抑制する必要があり、また、高負荷領域では、より少ない供給量で冷却効果が得られるからである。このステップＳ１１１によって、空気供給量設定手段が構成される。ステップＳ１０３により解凍判定手段が構成される。

以上のように、低温時始動が開始され、水タンク５１内の水温Ｔｗが、凍結温度Ｔａを超えたか判断し、超えた場合には、燃料電池スタック１０の温度が、始動温度に到達したか判断（暖機が終了したか判断）し、終了した場合には、通常運転ルーチンを開始する。始動温度に到達していない場合には、通常時の起動動作（ステップＳ１０７）を実行する。即ち、噴射ノズル５３からの水の供給が開始される。
なお、燃料電池スタック１０の温度のみをモニターし、燃料電池スタック１０の温度が通常運転時の温度に到達した時（暖機終了温度に到達した時）に、解凍が終了したものとみなし、ステップＳ１１１の制御を終了する構成としてもよい。

また、水タンクの解凍は、解凍が進行している間は、水と氷解が混在した状態であり、水の割合が所定の値以上に到達した時点で、水の供給を開始してもよい。この場合には、凍結温度よりも高い温度の回収水が水タンクに供給されることとなるので、解凍を促進することができる。この場合、例えば水温が解凍温度に到達してから、所定時間が経過したときに、供給可能な量の水が水タンク５１内で解凍されたと判断し、解凍完了と判定する。この経過時間は、外気温度に基づき決定され、外気温が低い程、長く設定される。

次に、第２実施形態の作動について、図６に示されているフローチャートに基づき説明する。イグニッションにオンにより、始動を開始し、起動ルーチンを開始する。水素供給電磁弁ＶＨ２を開き、水素供給を開始するとともに、空気供給ファン４２を始動させ、空気の供給を開始する。

外気温度センサＳＡ1の検出温度から、通常運転ルーチンを実行するか、低温起動ルーチンを実行するか判断する。
低温起動ルーチンを実行する場合には、電流計ＳＩから燃料電池出力電流Ｉｆｃを、空気入口センサＳＡ2から空気温度Ｔairを、水温度センサＳＷ1から水温度Ｔｗを、排気温度センサSA３から燃料電池温度Ｔｆｃを取得する（ステップＳ２０１）。次に、水温度Ｔｗが凍結温度Ｔａを越えているか、を判断する（ステップＳ２０３）。凍結温度Ｔａを超えている場合には、水タンク５１内の水は、凍結していないと判断できるので、水タンクのヒータ５１１のスイッチはオフの状態とし（ステップＳ２０５）する。その後の動作（ステップS２０７）は、第1の実施形態における動作（ステップＳ１０７）と同様であるので、説明を省略する。

ステップＳ２０３において、水温度Ｔｗが凍結温度Ｔａを越えていないと判断した場合には、水タンク５１内の水は凍結しているものと判断する。水が凍結しているのであるから、噴射ノズル５３からの水の供給はできないので、水タンク５１のヒータ５１１をオンし解凍を開始する（ステップＳ２０９）。そして、解凍が完了するまでの間、図５に示されている空気流量曲線（実線）から、燃料電池出力電流Ｉｆｃ及び外気温度Ｔａに応じた空気流量Ｑairを決定する（ステップＳ２１１）。

次に、空気供給ファン４２によって制御可能な空気流量の範囲の下限値Ｑminより、ステップＳ２１１で決定された空気流量Ｑairが大きいか判断する（ステップＳ２１３）。大きい場合には、さらに、空気供給ファン４２によって制御可能な空気流量の範囲の上限値Ｑmaxより、ステップＳ２１１で決定された空気流量Ｑairが小さいか判断する（ステップＳ２１５）。小さい場合には、ステップＳ２１１で決定された空気流量Ｑairは、空気供給ファン４２によって制御可能な空気流量の範囲内でるので、ステップＳ２１１で決定された空気流量Ｑairが、空気供給ファン４２から供給される空気流量と設定される。

Qair≦Qminである場合には、空気供給ファン４２による空気流量制御が不能なので、ヒータ４５をオンし、燃料電池スタック１０に供給される空気を暖め（ステップＳ２１７）、空気流量ＱairをＱminに設定する（ステップＳ２１９）。
また、空気供給ファン４２によって制御可能な空気流量の範囲の上限値Ｑmaxより、ステップＳ２１１で決定された空気流量Ｑairが大きい場合には、さらに、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃと水供給不能時の燃料電池上限温度Ｔｂと比較し、Ｔｆｃ≧Ｔｂの場合には、燃料電池の出力に制限を加える（ステップＳ２２５）。例えば、制御装置８より、図示しないインバータコントローラに出力制限の信号を送ることで、インバータコントローラは、インバータ要求出力値を制限値に設定する。

そして、空気流量ＱairをＱmaxに設定する（ステップＳ２２３）。Ｔｆｃ＜Ｔｂの場合には、暖機が完了するまでの短時間の過負荷であれば、熱容量の大きな燃料電池は、過度の温度上昇は生じないので、出力の制限は加えずに空気流量ＱairをＱmaxに設定する（ステップＳ２２３）。その他の動作は、第１の実施形態の動作と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ２１１、Ｓ２１３、Ｓ２１７及びＳ２１９により空気供給量設定手段が構成され、さらに、ステップＳ２１１、Ｓ２１５、Ｓ２２５及びＳ２２３により空気供給量設定手段が構成される。

本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池スタックの部分断面側面図である。燃料電池スタックの部分断面斜視図である。燃料電池システムの始動動作を示すフローチャートである。燃料電池出力電流及び外気温度に応じて決定される空気流量を示す空気流量極線を示すマップである。燃料電池システムの始動動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
４２空気供給ファン
５１水タンク
ＳＷ１水温度センサ
ＳＡ１外気温度センサ
８制御装置

Claims

酸化剤として外気中の空気が供給される空気極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記空気極と前記燃料極に挟持された電解質膜とを備えた燃料電池と、
空気極に空気を供給する空気供給手段と、
該空気供給手段からの空気供給量を設定する空気供給量設定手段と、
燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、
空気極に供給される水の解凍状況を判断する解凍判定手段とを備え、
前記空気供給量設定手段は、燃料電池の始動から水が解凍されるまでの間、水が供給された状態で発電する場合の空気供給量に比較して、低負荷状態では、空気供給量を低く、高負荷状態では、空気供給量を高く設定することを特徴とする燃料電池システム。
酸化剤として外気中の空気が供給される空気極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記空気極と前記燃料極に挟持された電解質膜とを備えた燃料電池と、
空気極に空気を供給する空気供給手段と、
該空気供給手段からの空気供給量を設定する空気供給量設定手段と、
外気温度を検出する外気温検出手段と、
空気極に供給される水の解凍状況を判断する解凍判定手段とを備え、
前記空気供給量設定手段は、燃料電池の始動から水が解凍されるまでの間、外気温検出手段によって検出された外気温度に基づき、外気温度が低くなるほど空気の供給量を小さく設定することを特徴とする燃料電池システム。
さらに、燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段を有し、前記空気供給量設定手段は、さらに負荷検出手段により検出された検出値に基づき、負荷が上昇するに従って空気供給量を高く設定する請求項２に記載の燃料電池システム。
さらに、供給される空気を暖める暖機手段を有し、
前記空気供給量設定手段は、前記供給量決定手段によって決定された供給量が、前記空気供給手段によって制御可能な供給量の範囲の下限値よりも低い場合には、前記暖機手段により空気を暖める請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池システム。
さらに、燃料電池の負荷を制限する負荷制限手段を有し、前記空気供給量設定手段は、前記供給量決定手段によって決定された供給量が、前記空気供給手段によって制御可能な供給量の範囲の上限値よりも高い場合には、前記負荷制限手段により負荷を制限する請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料電池システム。
前記解凍判定手段は、直噴水タンク内の水温度を検出する直噴水温度検出手段と、検出温度が解凍温度を越えたときに解凍したものと判断する判断手段とを有する請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料電池システム。
前記解凍判定手段は、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、検出された燃料電池温度が所定温度に達したときに解凍したものと判断する判断手段とを有する請求項１〜６のいずれか１に記載の燃料電池システム。