JP2009170295A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排出ガスと、一次的に供給されるガスとが合流する合流部における水蒸気等の凍結を抑制する。
【解決手段】合流部における温度が凍結温度よりも大きくなるように、合流部を流れるガスから当該合流部に加えられる熱量が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。

例えば、特許文献１には、温度制御の観点から、酸化剤ガスに対応する循環系を備える燃料電池システムが開示されている。具体的には、この燃料電池システムでは、燃料電池の酸化剤極を通過した排ガスの一部を、酸化剤極に一次的に供給される空気に合流させることにより、排出ガスを燃料電池に循環させている。

また、例えば、特許文献２には、燃費向上の観点から、燃料ガスに対応する循環系を備える燃料電池システムが開示されている。具体的には、この燃料電池システムでは、燃料極から排出される未反応の燃料ガスを、燃料極に一次的に供給される燃料ガスに合流させ、循環させている。
特開平７−１６１３７１号公報 特開２００７−１８４１９６号公報

しかしながら、燃料電池システムの運転状態またはガス温度状態によって、排出ガスと、一次的に供給されるガスとが合流する合流部において、生成水やガス中の水蒸気が凍結して着氷が生じ、これにより、循環・合流性能を低下させてしまう虞がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排出ガスと、一次的に供給されるガスとが合流する合流部における水蒸気等の凍結を抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池からの排出ガスと反応ガス供給手段からの反応ガスとの合流部における温度が凍結温度よりも大きくなるように、合流部を流れるガスから当該合流部に加えられる熱量が制御される。

本発明によれば、合流部を、凍結が生じる温度へと低下させることを抑制することができるので、この合流部において水蒸気等の凍結を抑制することである。これにより、循環・合流性能の低下を抑制することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。

燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料タンク１０（例えば、高圧水素ボンベ）に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素制御バルブ１１によってさらに減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。本実施形態において、燃料タンク１０および水素制御バルブ１１は、水素を燃料電池スタック１の燃料極に供給する反応ガス供給手段として機能する。

燃料極から排出されるガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素制御バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されている。この水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２、および、水素循環流路Ｌ２と水素供給流路Ｌ１との合流部には、エゼクタ１３といったガス循環手段が設けられている。水素循環ポンプ１２およびエゼクタ１３により、燃料極からの排出ガスは、水素循環流路Ｌ２を流れ、燃料タンク１０からの水素に合流させることにより、燃料電池スタック１に循環させられる。

なお、本明細書では、必要に応じて、燃料タンク１０から供給される水素を一次供給水素といい、燃料極からの排出ガスであって水素循環流路Ｌ２を流れるガスを循環ガスという。また、合流部を介して合流した一次供給水素と循環ガスとを合流水素という。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極および水素循環流路Ｌ２を含む循環系内の不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。窒素量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下したりするため、循環系内の窒素量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１４が設けられており、このパージバルブ１４の開き量を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される窒素量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する窒素量が、発電性能を維持できるように管理される。

空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれるとともに加圧され、加圧された空気は、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。酸化剤極から排出されるガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気制御バルブ２１が設けられている。

冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水（冷却液）が循環する閉ループ状の冷却水流路Ｌ６を有しており、この冷却水流路Ｌ６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、冷却水流路Ｌ６内の冷却水が循環する。冷却水流路Ｌ６には、ラジエータ３１が設けられており、このラジエータ３１には、ラジエータ３１を送風するファン３２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、冷却水流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３１に流れ、ラジエータ３１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。冷却水流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。

冷却水流路Ｌ６には、燃料電池スタック１側から排出された冷却水を、ラジエータ３１を迂回させて燃料電池スタック１に循環させるバイパス流路Ｌ７が設けられている。冷却水流路Ｌ６からバイパス流路Ｌ７へと分岐する分岐部位には、バイパス流路Ｌ７と冷却水流路Ｌ６のラジエータ側とに対する流量配分を調整する三方弁（切替弁）３３が設けられている。ラジエータ３１を経由して、あるいは、ラジエータ３１を迂回して、燃料電池スタック１との間で冷却水が循環することにより、冷却水の温度が調整され、これにより、燃料電池スタックの温度が制御される。また、加熱手段である冷却水ヒータ３４は、冷却水流路Ｌ６において冷却水循環ポンプ３０の上流側に配設されている。冷却水ヒータ３４を動作させることにより、冷却水の温度を増加させることができる。

燃料電池スタック１には、図示しない電力取出装置が接続されている。この電力取出装置は、燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、燃料電池スタック１において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ２等に供給する。

また、電力取出装置には、電動モータ２と並列的に、二次電池３が接続されている。この二次電池３は、第１に、燃料電池スタック１で発電を行うために動作させる種々の補機（例えば、水素循環ポンプ１２やコンプレッサ２０）に対して、それを駆動するために必要な電力を供給する。第２に、システムに要求される電力（要求電力）に対し、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の電力を電動モータ２に供給する。第３に、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、電動モータ２の回生電力を蓄電する。

制御部４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素制御バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１４、コンプレッサ２０、空気制御バルブ２１、ファン３２といった種々の要素を制御する。

制御部４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。水素温度センサ４１は、一次供給水素の温度を検出し、水素流量センサ４２は、一次供給水素の流量を検出する。循環ガス温度センサ４３は、循環ガスの温度を検出する。なお、制御部４０は、水素循環ポンプ１２の回転数に基づいて、循環ガスの流量を検出することができる。冷却水温度センサ４４は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度を検出する。ここで、燃料電池スタック１において、循環ガス温度センサ４３による循環ガスの温度と、冷却水温度センサ４４による冷却水の温度とは対応する（ただし、厳密に一致することのみをいわない）。

本実施形態との関係において、制御部４０は、合流部であるエゼクタ１３における温度が凍結温度よりも大きくなるように、合流部を流れるガスからこの合流部に加えられる熱量を調整する。熱量の調整方法としては、一次供給水素の温度、燃料電池スタック１の運転出力に対応した一次供給水素の流量、循環ガスの温度および循環ガスの流量のいずれかを制御することにより可能であり、本実施形態では、一次供給水素の流量を制御する。この場合、制御部４０は、合流部における温度を凍結温度とするために必要な、一次供給水素の温度、燃料電池スタック１の運転出力に対応した一次供給水素の流量、循環ガス温度および循環ガスの流量の対応関係、具体的には、マップや演算式に基づいて、制御を行う。このような対応関係（後述する図２の関係）は、実験やシミュレーションを通じて予め取得されている。ここで、凍結温度は、合流部であるエゼクタ１３において、水蒸気等の凍結が生じる温度、具体的には、凍結が生じ得る合流部の最大温度である。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法の説明に先立ち、本実施形態の制御概念について説明する。

図２は、種々の運転出力に応じて必要とされる一次供給水素の流量毎に、合流部（本実施形態では、エゼクタ１３）が凍結温度となるときの循環ガスの温度（循環ガス温度）および流量（循環流量）の関係を示す説明図である。同図において、Ａ〜Ｎ（ＮＬ／ｍｉｎ）は、一次供給水素の流量を示すパラメータであり、ＡからＮにかけて流量が順次大きくなる関係となっている（以下の図においても同じ）。また、一次供給水素の温度は、システムの運転条件の中で起こり得る温度の最低値（例えば、−６０℃）に設定されている（以下の説明図においても同様）。

同図において、左から２番目に位置するプロットおよびこのプロットを結ぶ線分は、ある運転出力において要求されるＢ（ＮＬ／ｍｉｎ）の一次供給水素と合流した場合に、合流部の温度が凍結温度となるために必要な循環ガスの流量および温度の関係を示している（以下「凍結特性線」という）。例えば、循環ガスの流量が約１．５ｘ（ＮＬ／ｍｉｎ）の場合（「ｘ」はシステムの特性に応じて定まる流量のパラメータ（以下の図においても同じ））、合流部の温度が凍結温度よりも大きいためには、循環ガスの温度がｙ℃以上必要であることを示す（ｙは温度のパラメータ（以下の図においても同じ））。あるいは、循環ガスの温度がｙ℃の場合、合流部の温度が凍結温度よりも大きいためには、循環ガスの流量が１．５ｘ（ＮＬ／ｍｉｎ）以上必要であることを示す。つまり、一次供給水素の各流量において、それに対応する凍結特性線よりも右上側は、合流部の凍結が発生しない運転領域（循環ガスの流量または温度）であることを示し、当該線分およびそれよりも左下側は、合流部の凍結が発生し得る運転領域（循環ガスの流量または温度）であることを示す。

図３は、種々の運転出力に応じて必要とされる一次供給水素の流量毎に、所定のストイキを確保するために必要な循環ガスの流量を示す説明図である。ここで、ストイキは、燃料電池スタック１で消費される水素量（Ｈ１）に対する燃料電池スタック１に供給された水素量（Ｈ０）の比（Ｈ０／Ｈ１）である。同図において、凍結特性線と対応して引かれた縦線は、該当する一次供給水素の流量において、所定のストイキを確保するために必要な循環ガスの流量を示す（以下「ストイキ線」という）。したがって、互いに対応する運転出力（一次供給水素の流量）の凍結特性線とストイキ線との交点を求めることで、その運転出力時に所定のストイキを確保した循環流量として場合に、合流部が凍結温度になる循環ガスの温度を求めることができる。

図４は、合流部の凍結を抑制するための最低温度を示す説明図である。同図において、線Ｌ１は、所定のストイキ（例えば、１．４５）を確保するために必要な循環ガスの流量に対して、合流部の凍結が抑制される、すなわち、合流部が凍結温度以上となるための循環ガスの最低温度を、図２〜図３に示す運転出力毎に示すものである。これに対して、線Ｌ２は、水素循環ポンプ１２を最大回転数で運転し、水素循環流路Ｌ２の圧損に応じて流すことができる循環ガスの最大流量において、合流部が凍結温度以上となる循環ガスの最低温度を示している。したがって、線Ｌ２よりも循環ガスの温度を上げることができない場合には、循環ガスの流量を最大にしたとしても、合流部が凍結温度より小さくなってしまう。

例えば、破線で示すように、燃料電池スタック１の運転出力が８３％、所定のストイキを確保する制御を行っている場合には、線Ｌ１をベースとして、循環ガスの温度は約３８℃となっている。したがって、循環ガスが約７．５ｚ（℃）以上であれば、一次供給水素が−６０℃の状態で運転出力８３％に対応する流量だけ供給されても合流部は凍結温度以上になることを示す（ｚは温度のパラメータ（以下の図においても同じ））。

また、燃料電池スタック１の運転出力が８３％、水素循環ポンプ１２を最大回転数で運転した場合には、線Ｌ２をベースとして、循環ガスの温度は約５ｚ（℃）となっている。したがって、水素循環ポンプ１２を最大回転数で運転した場合には、循環ガスが５ｚ（℃）以上であれば、一次供給水素が−６０℃の状態で運転出力８３％に対応する流量だけ供給されても合流部が凍結温度以上になることを示す。このように、循環ガスの流量が多いと、その分だけ循環ガスの温度が低くても、合流水素の温度を凍結温度以上へと導くことができる。

図５は、燃料電池スタック１の燃料極から排出されるガスの温度を示す説明図である。同図において、線Ｌ３は、燃料極から排出されるガス、すなわち、循環ガスの温度に関する時系列的な推移を示す。また、ｗは、温度のパラメータである。ここで、一定の出力で発電をしている燃料電池スタック１へ、線Ｌ４で示す形波のように、水素循環ポンプ１２により循環流量を増減させたとする。この場合、同図に示すように、循環流量が増減した場合であっても、循環ガスの温度に与える影響はほとんどない。これは、燃料電池スタック１の熱容量が循環ガスの熱容量よりも十分大きいためである。

以上、これらのことから分かるように、反応ガスの温度、前記燃料電池の運転出力に対応した反応ガスの流量、循環する排出ガスの温度および排出ガスの循環流量の少なくとも一つを制御することにより、合流部を流れるガス（一次供給水素または循環ガス）からこの合流部に加えられる熱量を調整することができる。これにより、合流部における温度が凍結温度よりも大きくなるように設定することができる。この場合、合流部における温度を凍結温度とするために必要な、反応ガスの温度、燃料電池の運転出力に対応した反応ガスの流量、循環する排出ガスの温度および排出ガスの循環流量の対応関係（図２を参照）に基づいて、先の制御を行えばよい。

図６は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。同図に示す処理は、所定周期で呼び込まれ、制御部４０によって実行される。ここで、制御部４０は、図２に示すような運転出力毎の凍結特性線を規定したマップ（あるいは、演算式）を、一次供給水素の種々の温度に対応して保持している。このようなマップ（あるいは、演算式）は、システムの特性等を考慮した上で、実験やシミュレーションを通じて予め取得されている。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、各種のセンサ値が読み込まれる。これにより、水素温度センサ４１のセンサ値から一次供給水素の温度が、水素流量センサ４２のセンサ値から一次供給水素の流量が、循環ガス温度センサ４３のセンサ値から循環ガスの温度、水素循環ポンプ１２の回転数から循環ガスの流量が特定される。

ステップ２（Ｓ２）において、合流部の温度Ｔｊが凍結温度Ｔjthよりも大きいか否かが判断される。具体的には、一次供給水素の温度（センサ値）に対応したマップを特定し、このマップに基づいて、一次供給水素の流量（センサ値）と対応する凍結特性線から、循環ガスの流量（センサ値）において、凍結温度となる循環ガスの温度の最低値が特定される。例えば、図７に示すように、一次供給水素の温度が−６０℃、流量がＮ（ＮＬ／ｍｉｎ）である場合、循環ガスの流量が水素循環ポンプ１２の最大流量である約３．９ｘ（ＮＬ／ｍｉｎ）ならば、凍結温度となる循環ガスの温度の最低値は、概ね３．５ｙ（℃）と特定される。

循環ガス温度センサ４３から得られる循環ガスの温度（センサ値）が、特定された温度の最低値以下となる場合、すなわち、合流部の温度Ｔｊが凍結温度Ｔjth以下の場合には、ステップ２において否定判定されるため、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、循環ガスの温度（センサ値）が特定された温度の最低値よりも大きい場合、すなわち、合流部の温度Ｔｊが凍結温度Ｔjthよりも大きい場合には、ステップ２において肯定判定されるため、本ルーチンを抜ける。

ステップ３において、目標熱量パラメータが算出される。本実施形態では、合流部が凍結温度以上となるように、一次供給水素の流量を増加させる制御を行うものである。したがって、目標熱量パラメータとしては、一次供給水素の目標流量が該当する。制御部４０は、図７に示すように、予め保持するマップを参照し、循環ガスの流量（センサ値）、一次供給水素の温度（センサ値）に基づいて、凍結温度に対応する循環ガスの温度が現在の循環ガスの温度（センサ値）以下となるような一次供給水素の目標流量を決定する。例えば、現在の循環ガスの温度（センサ値）が２．５ｙ（℃）程度であるならば、図７から分かるように、凍結温度となる循環ガスの温度の最低値が２．５ｙ（℃）よりも小さい、Ｈ（ＮＬ／ｍｉｎ）が一次供給水素の目標流量として設定される。

ステップ４（Ｓ４）において、目標熱量パラメータに基づいて、合流部の熱量を増加させる制御が行われる。具体的には、一次供給水素の目標流量に基づいて、水素制御バルブ１１の開度が制御される。

このように本実施形態において、燃料電池システムは、合流部における温度が凍結温度よりも大きくなるように、合流部を流れるガスから当該合流部に加えられる熱量が制御される。

かかる構成によれば、合流部（本実施形態では、エゼクタ１３）を、凍結が生じる温度へと低下させることを抑制することができるので、この合流部において水蒸気等の凍結を抑制することである。これにより、循環・合流性能の低下を抑制することができる。また、一次供給水素の流量を調整すればよいので、合流部の凍結抑制制御を容易に行うことができる。

また、本実施形態において、制御部４０は、合流部における温度を凍結温度とするために必要な、一次供給水素の温度、運転出力に対応した一次供給水素の流量、循環ガスの温度および循環ガスの流量の対応関係に基づいて、一次供給水素の流量を制御する。かかる手法によれば、マップ等を参照することで、簡単な手法で凍結抑制制御を行うことができる。

なお、本実施形態では、一次供給水素の流量を制御する構成であるため、合流部を凍結温度よりも大きくするために、一次供給水素の流量を低下させる必要がある。このケースでは、一次供給水素の流量低下にあわせて運転出力を低下させることとなるが、電動モータ２への供給出力を落とすことはできないため、燃料電池スタック１の運転出力を低下させた分は、二次電池３から補ってもよいし、出力制限という形で駆動電力を減らしてもよい。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。この第２の実施形態の燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、一次供給水素に対する加熱手段を備えることにある。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順と重複する部分については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

加熱手段である水素ヒータ１５は、水素循環流路Ｌ２との合流部（本実施形態では、エゼクタ１３）よりも上流側の水素供給流路に設けられている。水素ヒータ１５を動作させることにより、一次供給水素の温度を増加させることができる。

本実施形態の構成では、合流部の温度が凍結温度以上となるように、一次供給水素の温度を増加させる制御を行うものであり、目標熱量パラメータとしては、一次供給水素の目標温度が該当する。具体的には、一次供給水素の種々の温度毎のマップを参照し、凍結温度となる循環ガスの温度の最低値が、現在の循環ガスの温度（センサ値）に対応するように、一次供給水素の目標温度を決定する。そして、制御部４０は、水素温度センサ４１から得られる一次供給水素の温度が、決定された一次供給水素の目標温度となるように、水素ヒータ１５を動作させる。

このように本実施形態によれば、合流部（本実施形態では、エゼクタ１３）を、凍結が生じる温度へと低下させることを抑制することができるので、この合流部において水蒸気等の凍結を抑制することである。これにより、循環・合流性能の低下を抑制することができる。また、水素ヒータ１５により、一次供給水素の温度を調整すればよいので、合流部の凍結抑制制御を容易に行うことができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムが、第１または第２の実施形態のそれと相違する点は、合流部の温度が凍結温度以上となるように、循環ガスの流量を増加させることである。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順と重複する部分については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

本実施形態において、目標熱量パラメータとしては、循環ガスの目標流量が該当し、循環ガスの流量は、水素循環ポンプ１２の回転数により制御することができる。例えば、ある運転出力に対応して一次供給水素の流量をＩ（ＮＬ／ｍｉｎ）として運転していた場合、所定のストイキで運転するための循環ガスの流量Ｌａは約２．２５ｘ（ＮＬ／ｍｉｎ）に設定されているとする。このケースでは、図９に示すように、循環ガスの温度が３．８ｙ（℃）以上であれば、合流部の温度が凍結温度以上となることが判断される。

ここで、外気温度の低下によって、循環ガスの温度が３．８ｙ（℃）から３ｙ（℃）に低下してしまうようなシーンを想定する。このケースでは、制御部４０は、循環ガスの温度（センサ値）をモニタリングし、それが低下したならば、マップを参照しつつ、その温度に対応する循環ガスの流量を特定し、これを循環ガスの目標流量として設定する。そして、制御部４０は、循環ガスの流量が目標流量となるように、水素循環ポンプ１２の回転数を制御する。このような制御により、循環ガスの流量Ｌｂは最終的に約３．１ｘ（ＮＬ／ｍｉｎ）へと増加させられる。

このように本実施形態によれば、合流部（本実施形態では、エゼクタ１３）を、凍結が生じる温度へと低下させることを抑制することができるので、この合流部において水蒸気等の凍結を抑制することである。これにより、循環・合流性能の低下を抑制することができる。また、水素循環ポンプ１２の回転数により、循環ガスの流量を調整すればよいので、合流部の凍結抑制制御を容易に行うことができる。

また、本実施形態によれば、運転出力を低下させる、または、ヒータを新規に追加するといったことがなく、既存のシステム構成のままで凍結抑制制御を行うことができる。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムが、第１から第３の実施形態のいずれかと相違する点は、合流水素による合流部の温度が凍結温度以上となるように、循環ガスの温度を増加させる制御を行うものである。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順と重複する部分については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

本実施形態の構成では、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを加熱する加熱手段としての循環ガスヒータ１６が設けられている。この循環ガスヒータ１６を動作させることにより、循環ガスの温度を加熱することがきる。すなわち、本実施形態における目標熱量パラメータとしては、循環ガスの目標温度が該当する。

ここで、一次供給水素の流量としてＮ（ＮＬ／ｍｉｎ）が必要な出力で、かつ、水素循環ポンプ１２の運転流量範囲（図１１の範囲Ａ）のうち最大流量で運転していたとする。このケースでは、図１１に示すように、合流部が凍結温度以上となるために必要な循環ガスの最低温度Ｔｂは、約３．６ｙ（℃）となっている。そこで、外気温度の低下によって、循環ガスの温度Ｔａが３．６ｙ（℃）を下回ろうとした場合には、上述の手法により循環ガスの温度を増加させて、３．６ｙ（℃）以上となるようにする。

このように本実施形態によれば、合流部（本実施形態では、エゼクタ１３）を、凍結が生じる温度へと低下させることを抑制することができるので、この合流部において水蒸気等の凍結を抑制することである。これにより、循環・合流性能の低下を抑制することができる。また、循環ガスヒータ１６により、循環ガスの温度を調整すればよいので、合流部の凍結抑制制御を容易に行うことができる。

また、本実施形態では、水素循環ポンプ１２を最大回転数で運転しているといったように、循環ガスの流量をこれ以上増加させることができないようなシーンにおいて、合流部の凍結抑制制御を効果的に行うことができる
（第５の実施形態）
この第５の実施形態が、第１から第４の実施形態のいずれかと相違する点は、上記の各手法によって合流部の熱量増加を一次的な制御として行うとともに、これに追加して、冷却水の熱量を増加させることにより、燃料電池スタック１の燃料極から排出されるガス（循環ガス）の温度を増加させる制御を二次的な制御として行う点である。なお、各実施形態と共通する構成・制御手順と重複する部分については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

本実施形態の構成において、冷却水の熱量を増加させる手法としては、例えば、以下に示す手法が挙げられる。第１の手法としては、冷却水循環ポンプ３０の回転数を低下させ、冷却水の循環流量を低下させる。これにより、ラジエータ３１を介した放熱が抑制されるため、燃料電池スタック１の温度低下が抑制され、循環ガスを昇温することができる。第２の手法としては、冷却水ヒータ３４を動作させる。これにより、冷却水の温度増加が促進され、燃料電池スタック１を介して循環ガスを昇温することができる。第３の手法としては、第２の手法とともに、冷却水循環ポンプ３０の回転数を増加させ、冷却水の循環流量を増加させる。これにより、冷却水ヒータ３４から得た熱を効率よく燃料電池スタック１へ伝達させることができるので、循環ガスを効率的に昇温することができる。第４の手法としては、ファン３２の回転数を低下させる、もしくは、冷却系における流路をバイパス流路Ｌ７に切り替える。これにより、ラジエータ３１を介した放熱が抑制されるため、燃料電池スタック１の温度低下が抑制され、循環ガスを昇温することができる。この第４の手法は、これを単独で行ってもよいし、第１の手法から第３の手法のいずれか一つの手法とともに行ってもよい。第５の手法としては、燃料電池スタック１の出力を増加させる。これにより、燃料電池スタック１の発熱を介して循環ガスを昇温することができる。この第５の手法は、これを単独でおこなってもよいし、第１の手法から第４の手法のいずれか一つの手法とともに行ってもよい。

図１２は、第５の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。本実施形態にかかる処理では、第１の実施形態に示す処理に加えて、後述するステップ５（Ｓ５）およびステップ（Ｓ６）が設けられている。なお、ステップ１の処理では、冷却水温度センサ４４のセンサ値から冷却水の温度が特定される。

ステップ５において、冷却水の温度Ｔｃが、冷却水判定温度Ｔcth以上であるか否かが判断される。この冷却水判定温度Ｔcthは、合流部の温度が凍結温度よりも大きくなるような循環ガスの温度、これを実現するために必要な冷却液の温度の最低値を規定したものである。この冷却水判定温度Ｔcthは、一次供給水素の流量および温度、循環ガスの流量をパラメータとする動的な値である。図３に示すように、合流部における温度を前記凍結温度以上とするために必要な、反応ガスの温度、前記燃料電池の運転出力に対応した反応ガスの流量、循環する排出ガスの温度および排出ガスの循環流量の対応関係に基づいて、当該対応関係に規定される循環ガスの温度を実現するための冷却水温度が規定されている。

このステップ５において肯定判定された場合、すなわち、冷却水の温度Ｔｃが、冷却水判定温度Ｔcth以上である場合には、本ルーチンを抜ける。一方、ステップ５において否定判定された場合、すなわち、冷却水の温度Ｔｃが冷却水判定温度Ｔcthよりも小さい場合には、ステップ６（Ｓ６）に進む。

ステップ６において、冷却水の温度制御が行われる。具体的には、制御部４０は、上記の第１から第５の手法のいずれか一つの手法を用いて、冷却水の温度を上昇させる。この際、制御部４０は、冷却水温度センサ４４から得られる検出値を参照しつつ、冷却水の温度Ｔｃが冷却水判定温度Ｔcthとなるように冷却水の温度を制御する。

このように本実施形態において、制御部４０は、冷却液の温度が冷却水判定温度Ｔcth以上となるように、冷却系を制御する、または、燃料電池スタック１の運転出力を制御する。

かかる構成によれば、第１から第４の実施形態に示すように、合流部の熱量増加させる一次的な制御を行った場合であっても凍結温度に到達してしまようなケースにおいて、冷却系または燃料電池スタックの運転出力を制御することにより、これを追加的な手法として凍結抑制制御を行うことができる。これにより、合流部（本実施形態では、エゼクタ１３）を、凍結が生じる温度へと低下させることを有効に抑制することができるので、この合流部において水蒸気等の凍結を抑制することである。これにより、循環・合流性能の低下を抑制することができる。

なお、第５の実施形態は、冷却系または燃料電池スタックの運転出力を制御することにより、循環ガスの温度を増加させている。すなわち、第５の実施形態に示す手法は、本実施形態に示すような追加的な制御に限定されず、例えば、第４の実施形態に示す循環ガスヒータ１６に代えて、循環ガスの温度を増加させる手法として活用してもよい。

以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、マップを参照して必要なパラメータを導出しているが、リアルタイムで演算して必要なパラメータを導出してもよい。また、本実施形態では、一次供給水素の温度に応じてマップを複数備える形態を前提で説明を行っているが、システムの運転条件の中で起こり得る一次供給水素の温度最低値に対応したマップのみを備えていてもよい。また、本実施形態では、合流部としてポンプ性能を持たせたエゼクタ１３を備える構成であるが、合流部としては、増幅ノズルでもよいし、ポンプ性能を有さない単なる合流管でも構わない。さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１の燃料極に対応する循環系を備える構成であるが、本発明は、燃料電池スタック１の酸化剤極に対応する循環系を備える構成において、その合流部における凍結抑制として適用してもよい。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図 種々の運転出力に応じて必要とされる一次供給水素の流量毎に合流部が凍結温度となるときの循環ガスの温度および流量の関係を示す説明図 種々の運転出力に応じて必要とされる一次供給水素の流量毎に所定のストイキを確保するために必要な循環ガスの流量を示す説明図 合流部の凍結を抑制するための最低温度を示す説明図 燃料電池スタック１の燃料極から排出されるガスの温度を示す説明図 第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート 合流部が凍結温度となるときの循環ガスの温度および流量の関係を示す説明図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図 合流部が凍結温度となるときの循環ガスの温度および流量の関係を示す説明図 第４の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図 合流部が凍結温度となるときの循環ガスの温度および流量の関係を示す説明図 第５の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 電動モータ
３ 二次電池
１０ 燃料タンク
１１ 水素制御バルブ
１２ 水素循環ポンプ
１３ エゼクタ
１４ パージバルブ
１５ 水素ヒータ
１６ 循環ガスヒータ
２０ コンプレッサ
２１ 空気制御バルブ
３０ 冷却水循環ポンプ
３１ ラジエータ
３２ ファン
３４ 冷却水ヒータ
４０ 制御部
４１ 水素温度センサ
４２ 水素流量センサ
４３ 循環ガス温度センサ
４４ 冷却水温度センサ

Claims (14)

1. 燃料電池システムにおいて、
   反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
   反応ガス供給手段からの反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給流路と、
   合流部を介して前記反応ガス供給流路と接続しており、前記燃料電池から排出される排出ガスを前記反応ガス供給手段からの反応ガスに合流させて前記燃料電池に循環させるガス循環流路と、
   前記合流部を流れるガスから当該合流部に加えられる熱量を調整する調整手段と、
   前記合流部における温度が、当該合流部に凍結が生じる温度である凍結温度よりも大きくなるように、前記調整手段を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記調整手段は、反応ガスの温度、前記燃料電池の運転出力に対応した反応ガスの流量、循環する排出ガスの温度および排出ガスの循環流量の少なくとも一つを調整することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記合流部における温度を前記凍結温度とするために必要な、反応ガスの温度、前記燃料電池の運転出力に対応した反応ガスの流量、循環する排出ガスの温度および排出ガスの循環流量の対応関係に基づいて、前記調整手段を制御することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
4. 前記調整手段は、前記合流部を流れる排出ガスから当該合流部に加えられる熱量を調整することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記合流部における温度を前記凍結温度とするために必要な、反応ガスの温度、前記燃料電池の運転出力に対応した反応ガスの流量、循環する排出ガスの温度および排出ガスの循環流量の対応関係に基づいて、当該対応関係に規定される排出ガスの循環流量よりも大きくなるように、排出ガスの循環流量を増加させることを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
6. 前記調整手段は、前記ガス循環流路において排出ガスを循環させるガス循環ポンプであり、
   前記制御手段は、前記ガス循環ポンプの回転数を増加させることを特徴とする請求項５に記載された燃料電池システム。
7. 調温可能な冷却液を循環させることにより、前記燃料電池の温度を調整する冷却手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記冷却液の温度が、前記合流部の温度が凍結温度となる排出ガスの温度として必要な冷却液の温度以上となるように、前記冷却手段を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
8. 前記冷却手段は、前記冷却液を循環させる冷却液循環ポンプを含み、
   前記制御手段は、前記冷却液循環ポンプの回転数を低下させることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
9. 前記冷却手段は、前記冷却液を加温するヒータを含み、
   前記制御手段は、前記ヒータを動作させることを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
10. 前記冷却手段は、前記冷却液を循環させる冷却液循環ポンプをさらに含み、
    前記制御手段は、さらに、前記冷却液循環ポンプの回転数を増加させることを特徴とする請求項９に記載された燃料電池システム。
11. 前記冷却手段は、前記冷却液の熱を放熱するラジエータと、当該ラジエータに送風するファンとを含み、
    前記制御手段は、前記ファンの回転数を低下させることを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
12. 前記冷却手段は、前記冷却液の熱を放熱するラジエータと、前記冷却水の通過経路を前記ラジエータを通過して循環する経路と当該ラジエータを迂回して循環する経路とで切り替える切替弁を有し、
    前記制御手段は、前記切替弁を前記ラジエータを迂回して循環する経路に設定することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
13. 冷却液を循環させることにより、前記燃料電池の温度を調整する冷却手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記冷却液の温度が、前記合流部の温度が凍結温度となる排出ガスの温度として必要な冷却液の温度以上となるように、前記燃料電池の運転出力を増加させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
14. 反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
    反応ガス供給手段からの反応ガスを前記燃料電池に供給するステップと、
    前記燃料電池から排出される排出ガスを、合流部を介して前記反応ガス供給手段からの反応ガスに合流させて前記燃料電池に循環させるステップと、
    前記合流部における温度が、当該合流部に凍結が生じる温度である凍結温度よりも大きくなるように、前記合流部を流れるガスから当該合流部に加えられる熱量を調整するステップと
    を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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