JP2013243022A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】暖機時の結露水量を低減して燃費及び商品性を向上させ得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０において相対的に結露水量の少ない第１の負荷から第２の負荷までの範囲、即ち、暖機完了までの結露水量が相対的に多く所定水量Ｗｑ以上となる発電出力（電流）の領域（結露水大電流領域Ｂ）を、領域下限値及び領域上限値によって定めておき、該領域内を暖機中の発電では用いない電流域として扱う。また、暖機運転時に、ＳＯＣ検出センサ６２により検出される残容量が所定値未満であり、且つ、要求負荷検出手段６３により検出される要求負荷が第１の負荷（領域下限値）より大きく第２の負荷（領域上限値）未満の負荷領域（結露水大電流領域Ｂ）内にある場合に、燃料電池１０から要求負荷よりも大きな電力を出力させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を介してその余剰電力を蓄電装置６０に充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムにおける暖機時の運転制御に関する。

燃料電池は、例えば、氷点以下の低温環境で運転を開始すると、カソード極やアノード極、拡散層に残留する水が凍結してガス流通を阻害したり、高分子電解質膜内部に残留する水が凍結してプロトン伝導性を低下させたりする。このため、低温起動時には燃料電池の暖機運転を行ってから高効率運転に移行する。暖機運転では、発電効率を低下させて自己発熱量を増大させることで暖機を促進させるが、特許文献１では、この暖機時に水の量を推測し、過剰に水分が発生しているときにはガス量を制限することで、余分な水を発生させずに暖機運転を行う手法が提案されている。

また、特許文献２には、例えば、低温起動時に起きるおそれのあるフラッディング（燃料電池の内部で生成水が凝縮する現象）を防止する目的で、燃料電池が自己発熱により暖機されるまで、発電電力が増加するにつれてエアストイキが減少するように、従来の標準流量より過大な流量の酸化剤ガスを燃料電池に供給する手法が提案されている。

特許第４８３１４１７号公報 特許第４５０００３２号公報

しかしながら、特許文献１では、ガス量を制限することで余剰な水分の発生を抑制することはできるが、水の発生しやすい電流領域を使用している場合には、ガス量を制限したとしても、他の電流領域を使用する場合と比較して、多くの水が発生してしまうという事情がある。また、ガス量の制限により発生してしまった結露水が滞留してしまう可能性もある。

また、特許文献２では、結露水削減を目的とする場合、酸化ガスの過大な増量のみでは対応しきれないおそれがある。また、必要とされる酸化剤ガス量が多すぎて、騒音の発生により商品性の悪化を招くという懸念、或いは、燃費の悪化を招く懸念もある。

そこで、本発明は、過大な酸化剤ガスの増量を伴うことなく暖機時の滞留水（結露水）量を低減して、燃費及び商品性を向上させ得る燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池と接続されて充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池及び前記蓄電装置からそれぞれ出力される電力の供給先を制御する供給制御手段と、前記燃料電池に対する要求負荷を検出する要求負荷検出手段と、前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段と、前記燃料電池における暖機完了までの結露水量の負荷に対する特性に基づき、結露水の生じやすい第１の負荷から第２の負荷までの範囲を予め定めておき、暖機運転時に、前記残容量検出手段により検出される残容量が所定値未満であり、且つ、前記要求負荷検出手段により検出される要求負荷が前記第１の負荷より大きく前記第２の負荷未満の負荷領域内にある場合に、前記燃料電池から前記要求負荷よりも大きな電力を出力させ、前記供給制御手段によりその余剰電力を前記蓄電装置に供給させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、蓄電装置の残容量が所定値未満で不十分であり、且つ、要求負荷が第１の負荷及び第２の負荷に基づく負荷領域（結露水の生じやすい範囲）内にあるときは、燃料電池において要求負荷より大きい負荷を想定した（相対的に結露水量の少ない）負荷領域での発電が行われる。この負荷領域では発電効率も相対的に低く、相対的に大きい熱損失が生成水に対する放熱量となるので、結露水量、滞留水量を低減することができる。

また、相対的に高負荷運転となるので暖機運転時間を相対的に短くして、結露水量を低減することができる。結果として、酸化剤ガスの過大な増量を伴うことなく暖機時の滞留水（結露水）量を低減し、従来と比較して燃費及び商品性を向上させ得る燃料電池システムを実現することができる。

ここで、燃料電池において発電する際に、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して生成される水を生成水と称し、また、その生成水が結露して液滴になったものを結露水と称し、また、燃料電池のカソード流路及びアノード流路に滞留する水を滞留水と称し、また、燃料電池から排出される水を排出水と称す。

また、前記制御手段は、前記残容量検出手段により検出される残容量が所定値以上であり、且つ、前記要求負荷検出手段により検出される要求負荷が前記負荷領域内にある場合に、前記燃料電池から前記要求負荷よりも小さな電力を出力させ、前記供給制御手段により前記燃料電池及び前記蓄電装置からそれぞれ出力される電力を負荷に供給させることが好ましい。

このような構成によれば、蓄電装置の残容量が所定値以上で十分に高く、且つ、要求負荷が第１の負荷及び第２の負荷に基づく負荷領域（結露水の生じやすい範囲）内にあるときには、燃料電池において要求負荷より小さい負荷を想定した（相対的に結露水量の少ない）負荷領域での発電が行われる。この負荷領域では発電効率も相対的に低く、相対的に大きい熱損失が生成水に対する放熱量となり、結露水量、滞留水量を低減することができる。

また、前記制御手段は、前記要求負荷検出手段により検出される要求負荷が前記負荷領域外にある場合に、前記燃料電池から前記要求負荷に応じた電力を出力させ、前記供給制御手段により前記燃料電池から出力される電力を前記負荷に供給させることが好ましい。

このような構成によれば、要求負荷が第１の負荷及び第２の負荷に基づく負荷領域（結露水の生じやすい範囲）外にあるときには、燃料電池において相対的に低い発電効率の領域での発電が行われるので、相対的に大きい熱損失が生成水に対する放熱量となり、結露水量、滞留水量を低減することができる。また、高負荷運転となる場合には、暖機運転時間を相対的に短くして、結露水量、滞留水量を低減することができる。

本発明により、暖機時の滞留水（結露水）量を低減して、燃費及び商品性を向上させ得る燃料電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池における暖機完了までの結露水量の電流に対する特性を例示する説明図である。 実施形態の燃料電池システムにおける暖機時の運転制御方法を説明するフローチャートである。 暖機時の運転制御方法の内（ａ）は余剰発電時、（ｂ）は低負荷発電時のフローチャートである。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。なお、以下では、本発明の燃料電池システムを車両に搭載した態様を一例として説明する。

〔実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０、ガス供給装置２１、蓄電装置６０、負荷制御装置（供給制御手段）５１、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１（供給制御手段）、制御部７１（制御手段）、ＳＯＣ検出センサ６２（残容量検出手段）及び要求負荷検出手段６３を備えて構成されている。また、本実施形態の燃料電池システムが電力供給する負荷は、負荷５０及び補機５２である。

燃料電池１０は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。

燃料電池１０にはガス供給装置２１から燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（圧縮空気）が供給され、供給された燃料ガスと酸化剤ガスが燃料電池１０内で電気化学反応を起こすことにより発電が行われ、発電電力が負荷５０及び／または蓄電装置６０に供給される。なお、燃料電池システムは、燃料電池１０から排出される燃料オフガス、酸化剤オフガス、生成水などを外部に排出する排出系や、燃料電池１０の温度制御を行う冷却系など図示しない系を備えている。

また、負荷５０は例えば走行用のモータである。そして、補機５２には、燃料電池１０周辺のガス供給装置２１を含む各系が持つ各種機器の内の電気駆動の機器（コンプレッサや循環ポンプなど；これらを総称して燃料電池補機と称す）と、当該燃料電池システムが搭載される車両が持つモータ以外の電気駆動の機器（これらを総称して車両補機と称す）とが含まれる。なお、特許請求の範囲にいう負荷には、負荷５０及び補機５２の両方を含めても良い。

また、負荷制御装置５１は、制御部７１の制御指令に応じて負荷５０及び補機５２に対する電力供給を制御する。負荷制御装置５１には、例えば、直流を三相交流に変換して負荷５０（走行用モータ）に供給するインバータや、低電圧で駆動される補機５２に電力供給する降圧器などが含まれる。

また、蓄電装置６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を介して燃料電池１０に接続され、例えばリチウムイオン電池等の充放電可能な２次電池で構成される。蓄電装置６０には、該蓄電装置６０の残容量（ＳＯＣ）［％］を検出するＳＯＣ検出手段６２が付設されており、検出された残容量は制御部７１に出力される。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、制御部７１の制御指令に応じて、燃料電池１０から出力される電力と、蓄電装置６０から出力される電力とについて、その供給先を切り替える。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、燃料電池１０及び蓄電装置６０間の電力変換（昇圧または降圧）を行う機能も備える。

また、要求負荷検出手段６３は、燃料電池１０に対する要求負荷を検出するもので、例えば、車両の場合、アクセル開度センサ、加速度センサなどで具現される。検出された物理量（アクセル開度、加速度）は検出結果として制御部７１に出力される。

また、制御部７１は、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサ、プログラムや各種データを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリなどで構成され、ガス供給装置２１及び図示しない各種系に制御指示を出力して、燃料電池１０の運転制御を行う。

図中、破線は各種センサ（ＳＯＣ検出センサ６２及び要求負荷検出手段６３）から出力され制御部７１に入力される検出信号を示し、また一点鎖線は、制御部７１から各構成要素に出力される制御指令信号を示す。すなわち、制御部７１は、ガス供給装置２１から燃料電池１０への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給や、排出系、冷却系など図示しない系を制御して燃料電池１０の運転制御を行う。また、制御部７１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１に制御指令を与えて、燃料電池１０及び蓄電装置６０からそれぞれ出力される電力の供給先を制御し、負荷制御装置５１に制御指令を与えて、負荷５０及び補機５２に対する電力供給を制御する。

ここで、制御部７１が行う燃料電池１０の暖機時の運転制御手法の基本的な考え方について、図２を参照して説明する。前記したように、低温環境下での暖機運転時には結露水が発生し易い。本実施形態では、この結露水を低減する手法として次の手法を採る。まず第１の手法として暖機運転の時間を短くする。（暖機運転時間を短くすればその分、結露水が低減される。）また第２の手法として、発電効率の低い発電域での運転を敢えて行い、生成水に対する放熱量を大きくして結露水量を低減する。（発電効率の高い発電では、熱損失が少ない分だけ発熱量も少なく、水の発生量に対して暖機運転時間が長くなる。）

燃料電池１０の発電出力に対する発電効率は、所定の発電出力の時に最大発電効率となり、発電出力が増加するに伴って発電効率は徐々に低下し、また、最大発電効率の発電出力より発電出力を減少させると急激に発電効率が低下する。つまり、低い発電効率域は低負荷運転時及び高負荷運転時となる。したがって、発電効率特性において、予め、発電効率が相対的に高い発電出力（制御部７１の電流指令値）の領域を、領域下限値及び領域上限値によって定めておき、暖機時には、発電出力（電流）を領域下限値未満または領域上限値以上となるよう制御すれば、結露水量を低減することができる。

このように、発電出力（電流）の領域を領域下限値及び領域上限値によって定量的に設定するためには、発電効率特性を用いれば良いが、ここでは結露水量の低減が主目的であることから、本実施形態では、図２に示す燃料電池１０における暖機完了までの結露水量の電流に対する特性を用いることとした。なお、図中、結露水大電流領域Ｂは発電効率の高い発電域とほぼ重なり、結露水大の電流領域Ｂの領域外となる低電流側領域Ａ及び高電流側領域Ｃは発電効率の低い発電域とほぼ重なる。

予め、暖機完了までの排出水量が相対的に多く所定水量Ｗｑ以上となる発電出力（電流）の領域（図中、結露水大電流領域Ｂ）を、領域下限値（最小値）及び領域上限値（最大値）によって定めておき、この結露水大電流領域Ｂを暖機中の発電では用いないようにする。すなわち、暖機時に、発電出力（電流）を領域下限値未満の電流領域Ａまたは領域上限値以上の電流領域Ｃに含まれる発電電力（電流値）となるよう制御することにより、結露水量を低減する。

暖機完了までの結露水量の電流に対する特性は、予め行われる予備実験またはシミュレーション実験によって得ることができ、該特性上で所定水量Ｗｑ以上となる発電出力（電流）の領域を規定する。そして、該領域の領域下限値及び領域上限値を求めて制御部７１のメモリに保持しておけば良い。なお、図２では、１つの所定水量Ｗｑによって領域下限値及び領域上限値を決定しているが、領域下限値及び領域上限値のそれぞれについて別々の所定水量を設定して、領域下限値及び領域上限値を決定するようにしても良い。

また、暖機完了までの結露水量の電流に対する特性は、燃料電池１０の温度に応じて結露水量が増減することから、複数の温度について予備実験またはシミュレーション実験を行い、各温度における領域下限値及び領域上限値を決定し、温度に応じた領域下限値及び領域上限値のテーブルをメモリに保持しておくようにするのが望ましい。

暖機時に、領域上限値以上の電流領域Ｃでの発電を行う場合は、発電効率の低い発電域での運転を行って生成水に対する放熱量を大きくして結露水量を低減する第２の手法が適用されていると共に、暖機運転時間が相対的に短くなることから第１の手法も適用されていることになる。これに対して、領域下限値未満の電流領域Ａでの発電を行う場合は、第２の手法のみが適用され、暖機時間は相対的に長くなることとなる。

また、要求負荷検出手段６３で検出された要求負荷が、暖機中の発電では用いない結露水大電流領域Ｂの電流値である場合には、制御部７１は、電流指令値を領域下限値（最小値）または領域上限値（最大値）の何れかに設定する。すなわち、要求負荷より小さい負荷を想定した発電、或いは、要求負荷より大きい負荷を想定した発電の何れかを行う。要求負荷より小さい負荷の発電では要求負荷に対して供給電力が不足し、また、要求負荷より大きい負荷の発電では、要求負荷に対して供給電力が過剰となる。本実施形態では、このような供給電力の過不足を、基本的に、余剰電力の蓄電装置６０への充電または不足電力分の蓄電装置６０からの放電によって対応する。

つまり、ＳＯＣ検出センサ６２で検出されたＳＯＣ（残容量）に応じて、ＳＯＣが所定値未満で残容量が不十分であるときには、電流指令値を領域上限値（最大値）に設定して要求負荷より大きい負荷を想定した発電を行い、要求負荷に対しての余剰電力を蓄電装置６０に充電する。また、ＳＯＣが所定値以上で残容量が十分に高いときには、電流指令値を領域下限値（最小値）に設定して要求負荷より小さい負荷を想定した発電を行い、要求負荷に対する不足電力は蓄電装置６０からの放電によって補う。

したがって、（１）要求負荷が結露水大電流領域Ｂの電流値で、且つＳＯＣが不十分であるときには、要求負荷より大きい負荷を想定した電流領域Ｃでの発電を行うので、結露水量が低減する（第２の手法適用）と共に、暖機運転時間が相対的に短くなる（第１の手法適用）。これに対して、（２）要求負荷が結露水大電流領域Ｂの電流値で、且つＳＯＣが十分に高いときには、要求負荷より小さい負荷を想定した電流領域Ａでの発電を行うので、結露水量は低減する（第２の手法適用）が、暖機運転時間が相対的に長くなることになる。しかしながら、前記（２）の状況下では蓄電装置６０の放電が継続されＳＯＣは徐々に低下するので、あるタイミングでＳＯＣが所定値未満となれば、前記（１）に切り替わることになる。

次に、以上のような構成要素を備えた燃料電池システムの暖機時の運転制御方法について、図３及び図４を参照して説明する。ここで、図３は実施形態の燃料電池システムにおける暖機時の運転制御方法を説明するフローチャートであり、図４は暖機時の運転制御方法の内、（ａ）は余剰発電時、（ｂ）は低負荷発電時のサブルーチンのフローチャートである。なお、図３の手順は、制御部７１によって所定周期で繰り返し実行されるものである。また、本実施形態では、暖機は、燃料電池１０の運転に伴う自己発熱によって行われるものとする。すなわち、制御部７１は、暖機中には、ガス量、ガス圧、ストイキ、冷却系の冷媒流量を制御しており、例えば、温度が低いほど、ガス量＝増、ガス圧=増、ストイキ＝大となるよう制御する。

まず、制御部７１は、現在暖機中であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。例えば、制御部７１による暖機時の運転制御が、暖機運転フラグ（オン時に暖機運転制御）に基づき行われている場合には、該暖機運転フラグを参照して判断すれば良い。暖機中である場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）にはステップＳ１０２に進み、また、暖機中でない場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）にはステップＳ１１２に進む。なお、暖機運転は、起動時の燃料電池１０の温度が例えば６０℃未満の場合に行い、該温度を超えたときに暖機完了と判断する。

暖機中である場合、制御部７１は、要求負荷検出手段６３から燃料電池１０に対する要求負荷を取得して、通常発電の運転制御を行う（ステップＳ１１２）。この通常発電では、制御部７１は、要求負荷検出手段６３から取得した燃料電池１０に対する要求負荷に応じて電力が出力されるよう、後記する要求ＩＦＣを電流指令値として設定する。なお、当該ステップＳ１１２は、ステップＳ１０１以外のステップからの分岐で進む場合もあるが、そのような場合には、要求負荷の取得は不要である。

暖機中である場合、制御部７１は、ＳＯＣ検出センサ６２からＳＯＣ（残容量）を、要求負荷検出手段６３から燃料電池１０に対する要求負荷を、それぞれ取得する（ステップＳ１０２）。また、温度に応じた領域下限値及び領域上限値のテーブルがメモリに保持されている場合には、この時に、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ（図示せず）から燃料電池１０の温度も取得する。

なお、要求負荷検出手段６３をアクセル開度センサとした場合、要求負荷検出手段６３から制御部７１にアクセル開度が出力される。制御部７１は、アクセル開度に対する要求ＩＦＣ（要求される燃料電池１０からの出力電流；燃料電池１０に対する要求負荷に該当する）のマップを参照して、要求ＩＦＣを求める。

次に、制御部７１は、ＳＯＣ検出センサ６２から取得したＳＯＣ（残容量）に応じて、ＳＯＣが所定値未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。ＳＯＣが所定値未満で残容量が不十分である場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）にはステップＳ１０４に進み、ＳＯＣが所定値以上で残容量が十分に高い場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）にはステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０３においてＳＯＣが所定値未満の場合、制御部７１は、要求負荷検出手段６３から取得した要求負荷（要求ＩＦＣ）が、結露水大電流領域Ｂの領域下限値（最小値）を超えているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。また制御部７１は、要求ＩＦＣが領域下限値を超えている場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）にはステップＳ１０４に進み、また、要求ＩＦＣが領域下限値以下である場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）には、制御部７１は、要求ＩＦＣは結露水大電流領域Ｂの領域外であるので、ステップＳ１１２に進んで通常発電の運転制御を行う。

ステップＳ１０４において要求ＩＦＣが領域下限値を超えている場合、制御部７１は、さらに、要求ＩＦＣが結露水大電流領域Ｂの領域上限値（最大値）を下回っているか否かを判断する（ステップＳ１０５）。要求ＩＦＣが領域上限値を下回っている場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）にはステップＳ１１１に進んで余剰発電の運転制御を行い、また、要求ＩＦＣが領域下限値以上である場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）には、ステップＳ１１２に進んで通常発電の運転制御を行う。

また、ステップＳ１０３においてＳＯＣが所定値以上の場合、要求負荷検出手段６３から取得した要求負荷（要求ＩＦＣ）が、結露水大電流領域Ｂの領域下限値（最小値）を超えているか否かを判断する（ステップＳ１０７）。要求ＩＦＣが領域下限値を超えている場合（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）にはステップＳ１０８に進み、また、要求ＩＦＣが領域下限値以下である場合（Ｓ１０７：Ｎｏ）には、要求ＩＦＣは結露水大電流領域Ｂの領域外であるので、ステップＳ１１２に進んで通常発電の運転制御を行う。

ステップＳ１０７において要求ＩＦＣが領域下限値を超えている場合、さらに、要求ＩＦＣが結露水大電流領域Ｂの領域上限値（最大値）を下回っているか否かを判断する（ステップＳ１０８）。要求ＩＦＣが領域上限値を下回っている場合（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）にはステップＳ１１３に進んで低負荷発電の運転制御を行い、また、要求ＩＦＣが領域下限値以上である場合（Ｓ１０８：Ｎｏ）には、ステップＳ１１２に進んで通常発電の運転制御を行う。

こうして、ＳＯＣが所定値未満で残容量が不十分（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）であり、且つ、要求ＩＦＣが暖機中の発電では用いない結露水大電流領域Ｂ内の電流値である場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ，Ｓ１０５：Ｙｅｓ）には、余剰発電の運転制御（ステップＳ１１１）が行われる。具体的には、図４（ａ）に示す手順が実行される。まず、制御部７１は、電流指令値を結露水大電流領域Ｂの領域上限値に設定する（ステップＳ２０１）。これにより、燃料電池１０では、要求ＩＦＣより大きいＩＦＣ（領域上限値）を想定した発電が行われることとなり、要求ＩＦＣに対して供給電力が過剰となる。そして、この要求ＩＦＣに対しての余剰電力を用いて蓄電装置６０に充電する（ステップＳ２０２）。

また、ＳＯＣが所定値以上で残容量が十分に高く（Ｓ１０３：Ｎｏ）、且つ、要求ＩＦＣが暖機中の発電では用いない結露水大電流領域Ｂ内の電流値である場合（Ｓ１０７：Ｙｅｓ，Ｓ１０８：Ｙｅｓ）には、低負荷発電の運転制御（ステップＳ１１３）が行われる。具体的には、図４（ｂ）に示す手順が実行される。まず、制御部７１は、電流指令値を結露水大電流領域Ｂの領域下限値に設定する（ステップＳ２１１）。これにより、燃料電池１０では、要求ＩＦＣより小さいＩＦＣ（領域下限値）を想定した発電が行われることとなり、要求ＩＦＣに対して供給電力が不足する。そして、この要求ＩＦＣに対する不足電力は蓄電装置６０からの放電によって補充する（ステップＳ２１２）。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、制御部（制御手段）７１により、燃料電池１０において、暖機完了までの結露水量が相対的に多く所定水量Ｗｑ以上となる発電出力（電流）の領域（結露水大電流領域Ｂ）を、領域下限値及び領域上限値によって定めておき、該領域内を暖機中の発電では用いない電流域として扱う。また、暖機運転時に、ＳＯＣ検出センサ（残容量検出手段）６２により検出される残容量が所定値未満であり、且つ、要求負荷検出手段６３により検出される要求負荷が第１の負荷（領域下限値）より大きく第２の負荷（領域上限値）未満の負荷領域（結露水大電流領域Ｂ）内にある場合に、燃料電池１０から要求負荷よりも大きな電力を出力させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ（供給制御手段）６１によりその余剰電力を蓄電装置６０に供給させる。

このように、蓄電装置６０の残容量が所定値未満で不十分であり、且つ、要求負荷が第１の負荷（領域下限値）及び第２の負荷（領域上限値）に基づく負荷領域（結露水の生じやすい範囲）内にあるときには、燃料電池１０において要求負荷より大きい負荷を想定した（相対的に結露水量の少ない）負荷領域での発電が行われる.この負荷領域では発電効率も相対的に低く、相対的に大きい熱損失が生成水に対する放熱量となり、結露水量、滞留水量を低減することができる。また、高負荷運転となるので暖機運転時間を相対的に短くして、結露水量、滞留水量を低減することができる。

また、従来のガス量のみを制限した場合と比較して、結露水の発生量を大幅に削減することができる。また、従来のようにガス量制限を用いないので、結露水が発生してもガスの差圧により滞留させることなく排出することができる。このように、暖機時の滞留水（結露水）量を低減することができ、また従来のように過剰な酸化剤ガスの増量を行わないため、燃費及び商品性を向上させ得る燃料電池システムを実現することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、制御部７１により、ＳＯＣ検出センサ（残容量検出手段）６２により検出される残容量が所定値以上であり、且つ、要求負荷検出手段６３により検出される要求負荷が負荷領域（結露水大電流領域Ｂ）内にある場合に、燃料電池１０から要求負荷よりも小さな電力を出力させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ（供給制御手段）６１により燃料電池１０及び蓄電装置６０からそれぞれ出力される電力を負荷５０に供給させる。

このように、蓄電装置６０の残容量が所定値以上で十分に高く、且つ、要求負荷が第１の負荷及び第２の負荷に基づく負荷領域（結露水の生じやすい範囲）内にあるときには、燃料電池１０において要求負荷より小さい負荷を想定した（相対的に結露水量の少ない）負荷領域での発電が行われる。したがって、相対的に大きい熱損失が生成水に対する放熱量となり、結露水量、滞留水量を低減することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、制御部７１により、要求負荷検出手段６３により検出される要求負荷が負荷領域（結露水大電流領域Ｂ）外にある場合に、燃料電池１０から要求負荷に応じた電力を出力させ、負荷制御装置５１及びＤＣ／ＤＣコンバータ６１（供給制御手段）により該燃料電池１０から出力される電力を負荷５０に供給させる。

このように、要求負荷が第１の負荷及び第２の負荷に基づく負荷領域（結露水の生じやすい範囲）外にあるときには、燃料電池１０において相対的に低い発電効率の領域での発電が行われるので、相対的に大きい熱損失が生成水に対する放熱量となり、結露水量を低減することができる。また、高負荷運転となる場合には、暖機運転時間を相対的に短くして、結露水量、滞留水量を低減することができる。

〔変形例〕
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、実施形態においても説明したように、要求負荷が結露水大電流領域Ｂの電流値で、且つＳＯＣが不十分であるときには、要求負荷より大きい負荷を想定した電流領域Ｃでの発電を行うが、この場合、第２の手法適用による結露水量の低減と、第１の手法適用による暖機運転時間が相対的に短いという２つの効果が相乗的に得られる。

したがって、暖機運転の前段階でＳＯＣが不十分となるようにしておくことが望ましいが、そのための手法として、例えば以下の手法がある。
第１に、燃料電池システムを停止する時に、次の起動時における暖機を想定し、蓄電装置６０のＳＯＣが第１所定値以下となるようにして停止制御を行う。
第２に、特に燃料電池システム停止時に、寝燃料電池１０の温度が低いときには、蓄電装置６０のＳＯＣが更に低い第２所定値（第２所定値＜第１所定値）以下となるようにして停止制御を行う。
ここで、蓄電装置６０のＳＯＣを低下させる方法としては、例えば停止時の所定時間の間は蓄電装置６０からのみ負荷５０及び補機５２に対して電力供給を行うようにすれば良い。

これら第１及び第２の手法は次の起動時における暖機を想定して前もって行うものであるが、起動時の初期段階でＳＯＣが不十分となるようにしても良い。すなわち、第３に、起動時の所定時間の間は、蓄電装置６０からのみ負荷５０及び補機５２に対して電力供給を行うようにして、蓄電装置６０のＳＯＣを低下させた後に、暖機運転制御に移行する。このようにすれば、ＳＯＣが不十分であるので、要求負荷が結露水大電流領域Ｂの電流値である場合には、要求負荷より大きい負荷を想定した電流領域Ｃでの発電を行われ、この場合、第１の手法及び第２の手法適用による相乗的効果が得られることとなる。

１０ 燃料電池
２１ ガス供給装置
５０ 負荷
５１ 負荷制御装置（供給制御手段）
５２ 補機
６０ 蓄電装置
６１ ＤＣ／ＤＣコンバータ（供給制御手段）
６２ ＳＯＣ検出センサ（残容量検出手段）
６３ 要求負荷検出手段
７１ 制御部（制御手段）

Claims (3)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池と接続されて充放電可能な蓄電装置と、
   前記燃料電池及び前記蓄電装置からそれぞれ出力される電力の供給先を制御する供給制御手段と、
   前記燃料電池に対する要求負荷を検出する要求負荷検出手段と、
   前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段と、
   前記燃料電池における暖機完了までの結露水量の負荷に対する特性に基づき、結露水の生じやすい第１の負荷から第２の負荷までの範囲を予め定めておき、暖機運転時に、前記残容量検出手段により検出される残容量が所定値未満であり、且つ、前記要求負荷検出手段により検出される要求負荷が前記第１の負荷より大きく前記第２の負荷未満の負荷領域内にある場合に、前記燃料電池から前記要求負荷よりも大きな電力を出力させ、前記供給制御手段によりその余剰電力を前記蓄電装置に供給させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記残容量検出手段により検出される残容量が所定値以上である場合に、前記燃料電池から前記要求負荷よりも小さな電力を出力させ、前記供給制御手段により前記燃料電池及び前記蓄電装置からそれぞれ出力される電力を前記負荷に供給させること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記要求負荷検出手段により検出される要求負荷が前記負荷領域外にある場合に、前記燃料電池から前記要求負荷に応じた電力を出力させ、前記供給制御手段により前記燃料電池から出力される電力を前記負荷に供給させること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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