JP4432603B2

JP4432603B2 - 車輌用燃料電池装置

Info

Publication number: JP4432603B2
Application number: JP2004135085A
Authority: JP
Inventors: 憲二加藤; 康二小林; 剛一白石
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP2005317410A

Description

本発明は車輌用燃料電池装置の改良に関する。本発明は寒冷地仕様の車輌用燃料電池装置として好適である。

寒冷地仕様の車輌用燃料電池装置（以下、単に「燃料電池装置ということがある」）の起動方法の一例が特許文献１に記載されている。
この起動方法によれば、燃料電池本体部である燃料電池スタックに可変負荷を有する外部回路が付設され、燃料電池スタックで生成した電気エネルギーを当該外部回路へ供給することにより、当該燃料電池スタックを加温する。これにより、燃料電池スタックが反応温度に適したものとなり、本来のパフォーマンスを奏することとなる。
特表２０００−５１２０６８号公報

しかしながら、寒冷地において燃料電池装置を起動させる場合、できる限り素早い起動動作が要求される。また、外部回路により燃料電池本体部を強制的に加熱すると、例えば−３０℃以下の低温では良好だが、−３０℃〜０℃の間は外部回路で加熱するのに必要な電力が大きすぎ、燃料電池の発電効率が悪化する要因になる。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明の車輌用燃料電池装置に想到した。即ち、この発明の第１の局面の発明は、
燃料電池本体部、該燃料電池本体部へ水分を供給する補機部、加熱装置、外部電力受入部、及び起動制御装置を備え、
前記起動制御装置により次の３つのモードが実行される、
(1) 前記燃料電池本体部は停止状態で、前記外部電力受入部から受け入れた外部電力により前記加熱装置を作動する外部加熱モード、
(2) 前記燃料電池本体部が作動して発電するとともに該燃料電池本体部の電力により該燃料電池本体部を昇温する自己発熱モード、
(3) 前記燃料電池本体部が作動するとともに該燃料電池本体部が発電した電力を車輌電源系へ供給し、かつ前記補機部を停止状態に保って前記燃料電池本体へ供給する空気量に基づき前記燃料電池本体の温度を制御する温度制御モード、
ことを特徴とする車輌用燃料電池装置である。

このように構成された第１の局面の車輌用燃料電池装置によれば、その起動時に燃料電池装置のおかれた環境及び／又は燃料電池装置自体の状況に応じて適切な起動モードが選択可能となる。また、当該環境や状況変化に応じて起動モードを切り替えることができる。これにより、燃料電池装置の暖機運転が効率よく行われて起動に要する時間を短縮でき、その結果、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる。

この発明の第２の局面の発明は次の通りである。即ち、
第１の局面の車輌用燃料電池装置において、前記車輌用燃料電池装置の凍結時、前記起動制御装置は前記外部加熱モード、前記自己発熱モード及び前記温度制御モードの順に実行する。

このように構成される第２の局面の車輌用燃料電池装置によれば、燃料電池本体部における生成水が瞬時に凍結するような極寒の環境においても燃料電池装置を効率よく起動することができる。

この発明の第３の局面は次の通りである。即ち、
第２の局面の車輌用燃料電池装置において、前記外部加熱モードは前記燃料電池本体部の生成水が凍結する第１の温度以下において実行され、
前記燃料電池本体が前記第１の温度を超えてかつ前記燃料電池本体部が車輌電源系へ十分な電力を供給できる第２の温度となるまでの範囲において前記自己発熱モードが実行され、
前記燃料電池本体部が前記第２の温度以上でありかつ前記補機部の水分の解凍終了まで前記温度制御モードが実行され、
前記補機部の水分の解凍終了後に前記補機部を稼動する定常運転モードが実行される。

このように規定される第３の局面の発明によれば、燃料電池本体部の温度を基準にして起動時のモード切替が行われる。従って、モード切替の基準が明確になって、モード切替制御が容易になる。
また、温度を基準にして発電効率の低下が少ない制御を設定し、そのモード切替を行っているので発電効率が良好になる。

この発明の第４の局面は次の通りである。即ち、
第１の局面の車輌用燃料電池装置において、前記自己発熱モードよりも前記温度制御モードにおいて前記燃料電池本体部へ供給される空気量が大きい。

このように規定される第４の局面の発明によれば、温度制御モードにおいてより多くの空気が供給される。補機部からの水の供給がない状態において、空気供給が唯一の燃料電池本体部の冷却方法になる。従って、このように温度制御モードにおいて空気供給量を多くすることにより、燃料電池装置のオーバーヒートを防止しつつこれからより多くの出力を得られることとなる。

この発明の第５の局面は次の通りである。即ち、
燃料電池本体部、該燃料電池本体部へ水分を供給する補機部、加熱装置、外部電力受入部を備える車輌用燃料電池装置の起動方法であって、
(1) 前記燃料電池本体部は停止状態で、前記外部電力受入部から受け入れた外部電力により前記加熱装置を作動する外部加熱モード、
(2) 前記燃料電池本体部が作動して発電するとともに該燃料電池本体部の電力により該燃料電池本体部を昇温する自己発熱モード、
(3) 前記燃料電池本体部が作動するとともに該燃料電池本体部が発電した電力を車輌電源系へ供給し、かつ前記補機部を停止状態に保って前記燃料電池本体へ供給する空気量に基づき前記燃料電池本体の温度を制御する温度制御モード、
が順次実行される、ことを特徴とする車輌用燃料電池装置の起動方法。

この発明の第５の局面に規定されるように燃料電池装置の起動を制御することにより、その起動時に燃料電池装置のおかれた環境及び／又は燃料電池装置自体の状況に応じて適切な起動モードが選択可能となる。また、当該環境や状況変化に応じて起動モードを切り替えることができる。これにより、燃料電池装置の暖機運転が効率よく行われて起動に要する時間を短縮できるとともに、燃料電池本体部のオーバーヒートを防止することができる。

この発明の第６の局面は次の通りである。
燃料電池本体部、該燃料電池本体部へ水分を供給する補機部、加熱装置、外部電力受入部、及び起動制御装置を備え、
前記起動制御装置は次の２つのモードを実行する、
(2) 前記燃料電池本体部が作動して発電するとともに該燃料電池本体部の電力により該燃料電池本体部を昇温する自己発熱モード、
(3) 前記燃料電池本体部が作動するとともに該燃料電池本体部が発電した電力を車輌電源系へ供給し、かつ前記補機部を停止状態に保って前記燃料電池本体へ供給する空気量に基づき前記燃料電池本体の温度を制御する温度制御モード、
ことを特徴とする車輌用燃料電池装置。

このように規定された第６の局面の発明によれば、その起動時に燃料電池装置のおかれた環境及び／又は燃料電池装置自体の状況に応じて適切な起動モードが選択可能となる。また、当該環境や状況変化に応じて起動モードを切り替えることができる。これにより、燃料電池装置の暖機運転が効率よく行われて起動に要する時間を短縮でき、その結果、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる。

この発明の第７の局面は次の通りである。即ち、
第６の局面の車輌用燃料電池装置において、前記燃料電池本体の内部温度が前記第１の温度を超えてかつ前記燃料電池本体部が車輌電源系へ十分な電力を供給できる第２の温度となるまでの範囲において前記自己発熱モードが実行され、
前記燃料電池本体部が前記第２の温度以上でありかつ前記補機部の水分の解凍終了まで前記温度制御モードが実行され、
前記補機部の水分の解凍終了後に前記補機部を稼動する定常運転モードが実行される。

第７の局面のように規定された燃料電池装置によれば、燃料電池本体部の温度を基準にして起動時のモード切替が行われる。従って、モード切替の基準が明確になって、モード切替制御が容易になる。また、起動の初期段階においては燃料電池本体部の発電時に発生する熱を燃料電池装置自体の暖機に利用するので、寒冷地において起動が効率的に行われることとなる。

この発明の第８の局面は次の通りである。即ち、
第６の局面の車輌用燃料電池装置において、前記自己発熱モードよりも前記温度制御モードにおいて前記燃料電池本体部へ供給される空気量が大きい。

このように規定される第６の局面の発明によれば、温度制御モードにおいてより多くの空気が供給される。補機部からの水の供給がない状態において、空気供給が唯一の燃料電池本体部の冷却方法になる。従って、このように温度制御モードにおいて他のモードよりも空気供給量を多くすることにより、燃料電池装置のオーバーヒートを防止しつつこれからより多くの出力を得られることとなる。

以下、この発明の構成要素について説明する。
（燃料電池本体部）
車輌用燃料電池装置に用いられる燃料電池本体部は、所望の出力を得るために燃料電池単位セルを複数積層したものである。燃料電池の単位セルは空気極と燃料極で電解質膜を挟持した構成である。電解質膜にはナフィオン（商標名）等の高分子系の材料を用いることができるが、これに限定されるものではない。
かかる燃料電池本体部では、酸素と水素が結合可能であればその温度に無関係に発電が可能である。しかしながら、極めて低い温度環境においては酸素と水素の結合により生じる生成水が凍結し、燃料電池本体部の電極内の酸素の流路が閉塞し、これが酸素と水素の結合を阻害してしまう。その結果、燃料電池本体部が動作できなくなるおそれがある。また、一般的に燃料電池本体部の温度を、高分子系の電解質膜を用いたものであれば、６０℃〜１００℃の範囲とすることによりその発電効率も高くなる。よってここに、低温環境、特に外気温が氷点以下の環境では燃料電池本体部を加熱する必要が生じる。

（補機部）
補機部は燃料電池本体部へ水分を供給し、電解質膜の湿潤状態を維持し、及び／又は水分の気化熱により燃料電池本体部を冷却するものである。かかる補機部は水タンク、ポンプ、配管部、及び燃料電池本体部内への注水部を備えている。実施例の装置では注水部として水を電極近傍に直接噴射するノズルを採用しているが、燃料電池本体部に供給するガス中に水を水蒸気の状態で供給するものであってもよい。また、燃料電池本体部に対する空気供給系及び／又は燃料（水素）供給系へ注水することができる。
低温環境ではかかる補機部において水が凍結してしまう。低温環境において補機部を動作させるためには、補機部内の氷の解凍が必須となる。よってここに、補機部を加熱する必要がある。

（加熱装置）
加熱装置には本体部加熱装置と補機部加熱装置とがある。
本体部加熱装置は燃料電池本体部を加熱するものである。加熱の方法は特に限定されない。実施例では、供給する空気を加熱するとともに電熱ヒータを燃料電池本体部へ接触させてその伝導熱により燃料電池本体部を加熱している。その他、電熱ヒータからの放射熱で燃料電池本体部へ加熱すること、非凍結タイプの熱媒体を燃料電池本体部へ循環させ当該熱媒体を加熱すること、燃料電池本体部自体若しくはそこに埋設された被誘導加熱体を誘導加熱すること、など一般的な加熱方法を採用することができる。
補機部加熱装置は補機部を加熱するものである。加熱の方法は特に限定されない。実施例では電熱ヒータを水タンクへ挿入してその伝導熱により水タンク内の氷を加熱している。その他、電熱ヒータから放射熱により水タンクを加熱すること、非凍結タイプの熱媒体を水タンクへ循環させ当該熱媒体を加熱すること、水タンク自体若しくはそこに埋設された被誘導加熱体を誘導加熱すること、など一般的な加熱方法を採用することができる。
なお、燃料電池装置を停止させたとき、補機部の水は全て水タンクへ収納し、配管等に水が残らないようしておくことが好ましい。
配管部にも電熱線等の加熱装置を付設してこれを加熱することが好ましい。

（外部電力受入部）
この発明では、外部加熱モードにおいて燃料電池本体部以外を電源として加熱装置を稼働させる。外部電源として車輌のバッテリ、外部発電機若しくは商用電源（家屋のコンセント等）などを利用できる。外部電力受入部の形態は外部電源から電力を受け入れることが出来れば特に限定されるものではない。実施例では、外部電力受入部として電力配分装置が用いられている。

（外部加熱モード）
この外部加熱モードでは外部からの電力を用いて加熱装置を作動させる。この外部加熱モードは生成水が凍結するような極めて低い温度環境（第１の温度）において燃料電池装置を起動するときに用いられる。かかる低温度環境では燃料電池本体を作動させることが出来ず、即ち停止状態のため発電不能である。従って、外部電力を用いて本体部加熱装置により燃料電池本体部をその生成水が凍結しない温度まで加熱する。また、補機部の水も凍結しているので、補機部加熱装置を作動させて補機部内の氷の解凍を開始することもできる。
この外部加熱モードにおいては燃料ガス（水素ガス）の供給を行わない。空気はこれを昇温して燃料電池本体部へ供給することが好ましい。そのため、供給する空気を加熱する供給空気加熱装置を設けることが好ましい。加熱空気より燃料電池本体部が昇温される。
この外部加熱モードでは補機部及び車輌の電源系には電力が供給されない。

（自己発熱モード）
燃料電池本体部は発電可能であってもそれ自体の温度が低く車輌を駆動するのに十分な電力は供給できないときに、この自己発熱モードが実行される。自己発熱モードでは燃料電池本体部で発電している時に発生する熱（供給する空気量を通常の発電時よりも減らし、発熱量を多くする）で燃料電池本体部加熱し、もって燃料電池本体部を昇温する。また、必要に応じて補機部を加熱することもできる。これにより燃料電池本体部の暖機を促進する。
このモードでは補機部及び車輌の電源系には電力は供給されない。このモードにおいて外部電力の併用が妨げられるものでない。

（温度制御モード）
燃料電池本体部が車輌を駆動させるのに十分な電力を発電可能な一方で、補機部の水が凍結状態にあるときにこの温度制御モードが実行される。温度制御モードでは補機部からの水を用いて燃料電池本体部を冷却することができない。そこで、燃料電池本体部へ供給される空気量（風量）を調節して燃料電池本体部の温度を制御する。なお、空気供給量の調節のみでは燃料電池本体部に対する冷却能力に限界があるので、燃料電池本体部の温度は定常状態よりも低く保たれる。その結果、燃料電池本体部の出力が制限される。
この温度制御モードでは車輌の電源系へ電力が供給され、車輌は駆動可能な状態となる。なお、この温度制御モードでは補機部に電力は供給されない。
補機部内の氷が凍結して補機部が駆動可能になると、燃料電池装置は定常運転モードとなる。

以下、この発明の実施例について説明をする。
図１は実施例の燃料電池装置１の概略構成を示す。図１に示すように、この燃料電池装置１は燃料電池本体部としての燃料電池スタック１０、補機部としての水供給系２０、水素ガス供給系４０、空気供給系７０、及び出力系８０から概略構成される。

まず、燃料電池スタック１０について説明する。燃料電池単位セルの単位ユニットは空気極と燃料極とで固体高分子電解質膜を狭持した構成である。この単位ユニットとセパレータとを交互に複数枚積層して燃料電池スタックを構成している。単位ユニットには空気流路及び水素ガス流路が設けられている。空気流路を流れる空気中の酸素と水素ガス流路を流れる水素とが固体高分子電化質膜を介して結合し、もって燃料電池反応が生じることとなる。
燃料電池スタック１０の上方には空気マニホールド１１が形成されている。空気マニホールド１１にはノズル２１が取り付けられており、このノズル２１から水が噴出される。ノズル２１から直接噴射された水は燃料電池単位セルの空気流路の全面へ供給され、電解質膜の加湿と燃料電池本体部の冷却に利用される。
ヒータ１３は燃料電池スタック１０の両端に付設されている。ヒータ１３の制御系は図２を参照されたい。

実施例の水供給系２０では、水タンク２２から水供給用の配管部３０がフィルタ２６、直噴水ポンプ２７、直噴水供給電磁弁２８を介して、ノズル２１まで連結されている。符号３３は配管部３０用のヒータである。水タンク２２から直噴水ポンプ２７により吸い上げられた水は直噴水供給電磁弁２８により所望の水圧に調節され、ノズル４１から吹き出して空気マニホールド１１内では霧状になる。そして吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および空気流等によって燃料電池スタックを構成する燃料電池単位セルの上部開口から空気流路に入る。この空気流路内で蒸気化されて空気極へ供給されたものを除き、水は燃料電池スタック１０の下流側に設けられた凝縮器３６において回収され、凝縮水回収ポンプ３８により水タンク２２へ戻される。
水タンク２２には水温度センサ２４、タンク水位センサ２５及びヒータ２３が設けられている。符号３４は外気導入電磁弁であり、これを解放することにより外気を配管部３０へ導入し、水供給系２０内の水を全て水タンク２２へ流し込むか、又は外部へ排出する。符号３７はフィルタであり、水供給系２０から外部への異物排出を防止する。

ノズル２１は空気流路入口へ向けて直接水を噴射することが好ましい。これにより空気供給量の如何に拘わらず、所望の量の水を空気流路に供給することができる。即ち、空気の供給量と水の供給量とを独立して制御可能となる。空気供給量の変更と水供給量の変更とは常に同時に要求されるわけではなく、独立してそれらの変更が必要となる場合がある。
以上、実施例では空気マニホールドへ水を直接噴射したが、水を蒸気化してこれを供給してもよい。蒸気を供給する場合は、空気マニホールドを省略して空気配管部若しくは燃料電池スタックへ蒸気を直接送り込むことができる。燃料ガス配管部へ水蒸気を供給することもできる。

次に水素ガス供給系４０について説明する。水素ガス供給系４０の水素供給装置として、この実施例では水素貯蔵タンク４１を採用した。その他、液体水素の水素ボンベ、水/メタノール混合液等の改質材料を改質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素源とすることもできる。
水素貯蔵タンク４１の水素ガスは水素ガス配管４３を介して燃料電池スタック１０へ供給される。水素ガス配管４３に水素１次圧センサ４６、水素調圧弁４７、水素供給電磁弁４８、水素２次圧センサ４９が付設されて燃料電池スタック１０への供給量が制御される。水素貯蔵タンク４１へは水素充填口４５を介して外部から水素が補充される。

燃料電池スタック１０へ供給された水素ガスはそのすべてが消費されるわけではないので、燃料電池スタック１０から排出されたガスを循環系５０により循環使用する。循環系５０は循環ポンプ５１と循環電磁弁５３とを備えている。トラップ５４は燃料電池スタック１０からの異物を捕捉し、これが循環系５０及び水素ガス供給系４０へ侵入しないようにする。減圧電磁弁６５は循環系５０の圧力調整をしている。排気電磁弁６７は水素ガスを排気するときに解放される。減圧電磁弁６５及び排気電磁弁６７からの排気は空気供給系７０の排気へ混合される。水素ガス排気中に含まれる水素ガス成分を希釈するためである。
外気導入電磁弁６３は燃料電池スタック１０の停止後に開かれて、水素ガス供給系から水素ガスを外気によりパージする。なお、符号６１は外気からの異物侵入を防止するフィルタである。

空気供給系４０ではフィルタ７１を介して空気ファン７３により取り込んだ空気をヒータ７５で所望の温度に昇温させる。符号７６は外気温度センサ、符号７７は燃料電池スタックにおける空気入口温度センサである。当該センサ７７で検出された空気入口の空気温度が閾値を超えているときには、ヒータがオフに制御される。
低温環境で使用される燃料電池装置においては、導入する空気を加熱して燃料電池スタック１０を構成する各燃料電池単位セルの空気流路へ導入することが好ましい。これにより、燃料電池スタック１０が加熱されて生成水の凍結が防止され、低温状態にあった燃料電池スタック１０において発電が可能となる。

次に出力系８０の説明をする。
燃料電池スタック１０で生成された電力は車輌の電源系へ出力されて、駆動モータ８１及びその他車輌の機能部品へ供給されるとともに、燃料電池装置１自体にも供給される。制御構成図を図２に示す。
図２において、燃料電池スタック１０からの電力は電力配分装置９１を介して燃料電池装置駆動系制御部９３、燃料電池装置加熱系制御部９５及び車輌電源系制御部９７へ供給される。これら各制御部９３、９５及び９７は中央制御部９０により統一的に制御される。なお、外部加熱モードにおいて中央制御装置９０は電力配分装置９１を補助電源９２側に切り替える。この補助電源９２として汎用的なキャパシタや二次電池を用いることができる。中央制御部９０には汎用的なコンピュータ装置を用いることができる。中央制御部９０にはセンサ制御部１００を介して各センサの出力が入力される。中央制御装置９０は当該センサ出力に基づき、予めインストールされた制御プログラムに従って燃料電池装置駆動系制御部９３、燃料電池装置加熱系制御部９５及び車輌電源系制御部９７を制御する。

燃料電池装置駆動系制御部９３は水供給系２０、水素ガス供給系４０及び空気供給系７０に組み込まれたポンプ、ファン、電磁弁等を制御する。
燃料電池装置加熱系制御部９５は燃料電池スタック１０のヒータ１３、水供給系２０の水タンクヒータ２３及び配管部ヒータ３３、並びに空気ヒータ７５を制御する。
車輌用電源系制御部９７は駆動モータ８１等へ電力を供給するとともに、補助電源９２をチャージする。
なお、参考のため、図２の右端に記載した各種モードにおいて駆動する要素は図面上においてそのモードと同じ水平位置に記載してある。

次に、実施例の車輌用燃料電池装置の動作について説明をする。なお、この実施例は寒冷地（-５０℃未満）において当該燃料電池装置を起動させる場合の例である。
図３は燃料電池装置１の燃料電池スタック１０の温度と運転モードとの関係を示す。図４は燃料電池装置１の基本動作を示すフローチャートである。

車輌のイグニッションキーがオンになると図４に示す動作が始動する。ステップ１では外気温度を外気温度センサ７６で測定し、水タンク２２内の温度を水温度センサ２４で測定する。各センサ７６、２４の測定結果はセンサ制御部１００を介して中央制御部９０へ送られて、ここでステップ２の判断が行われる。
ステップ２では外気温度と水タンク２２内の温度（以下、水温ということがある）がそれぞれ氷点（この実施例では０℃と設定）と比較される。外気温度と水温がともに氷点を超えている場合は、後述する定常運転モード（ステップ１０）が実行され、燃料電池装置は通常の方法で起動され、かつ運転される。

外気温度及び水温の少なくとも一方が氷点以下の場合はステップ３へ進んで燃料電池スタック１０（フローチャート内ではＦＣと省略することがある）の温度が測定される。具体的には、空気出口温度センサ３９において燃料電池スタック１０から排出される空気を測定する。そして、燃料電池スタック１０の温度が−２５℃未満の場合はステップ５へ進み、−２５℃以上５℃未満の場合はステップ７へ進み、５℃以上４０℃未満の場合はステップ９へ進む。

ステップ５では図５のフローチャートに示す外部加熱モードが実行される。
先ず、補助電源９２の電力容量（ＳＯＣ）が下限値（閾値）を下回らないことを確認する（ステップ５１）。当該補助電源９２のＳＯＣが下限値を下回っているときはシステムを停止させる。補助電源９２のＳＯＣが下限値以上のときは電力配分装置９１により補助電源９２を選択する。そして、当該補助電源９２の電力を燃料電池装置加熱系制御部９５へ送ってスタックヒータ１３及び空気ヒータ７５をＯＮにする（ステップ５４）。
それとともに補助電源９２の電力を燃料電池装置駆動系制御部９３へ印加して空気供給系７０をＯＮとする。このとき空気ファン７３による空気の流量（空気供給量）はステップ５５で測定する外気温度に基づいて制御される。制御の一態様を図６に示した。図６に示す関係は制御装置９０のメモリ内に保存されている。制御装置９０は外気温度センサ７６及びセンサ制御部１００を介して得られた外気温度を図６の関係に照らし合わせて空気流量を決定し、当該空気流量が達成されるように燃料電池装置駆動系制御部９３を介して空気ファン７３を制御する（ステップ５６）。このとき、燃料電池スタック１０をより速く加熱するためにスタックヒータ１３をオンとすることができる。

この外部加熱モードを実行することにより、燃料電池スタック１０が昇温される。その結果、燃料電池スタック１０の温度（より具体的には空気出口温度）が−２５℃以上になると、自己発熱モード（ステップ７）へ移行する（ステップ５７〜５９）。
この実施例では外部加熱モードと自己発熱モードとの閾値温度を−２５℃としたが、気圧の関係において−２５℃以上の温度でも生成水が瞬間的に凍結する場合がある。その場合は、当該閾値温度を高くすることとなる。
この外部加熱モードにおいては水供給系２０、燃料供給系４０は停止の状態であり、燃料電池スタック１０の発電はない。

自己発熱モードの動作を図７のフローチャートに基づきながら説明をする。
まず、空気ヒータ７５をオフにして（ステップ７１）、電力配分装置９１により燃料電池スタック１０からも出力を行う（ステップ７２）。そして水素ガス供給系４０をＯＮにして燃料電池スタックを起動させる。このときの空気供給量（即ち空気ファン７５）は燃料電池スタックの空気出口温度（Ｔｆｃ）と燃料電池スタック１０の出力（Ｉｆｃ）に基づいて制御される。即ち、これらの関係（図８）が制御装置９０のメモリに保存されており、空気出口センサ３９の検出結果と出力センサ１１３との検出結果に基づき、制御装置９０は空気ファン７３の空気流量を決定する（ステップ７２）。これにより、燃料電池スタック１０の温度が低い場合には空気流量を小さくして発電効率を低下し、燃料電池スタック１０の自己発熱量を定常運転時よりも大きくしてその暖機を促進する。そして、燃料電池スタック１０の温度が上がってきたら相対的に空気流量を増大させて生成水の排出を促進してフラッテングを防止する。

他方、急激な温度上昇にともない燃料電池スタック１０のドライアップを防止するため、燃料電池スタック１０の出力が制限される（ステップ７５〜７７）。この実施例では上限値を燃料電池スタック１０の定格出力の９０％とした。また、素早い起動を達成するため下限値を定格出力の５％とした。
燃料電池スタック１０で発電された電力と補助電源９２からの電力とが電力配分装置９１において合わされて、燃料電池装置駆動系制御部９３へ送られて各種装置を駆動させるとともに、燃料電池装置加熱系制御部９４へ送られてスタックヒータ１３、水タンクヒータ２３及び配管部ヒータ３３を発熱させる。スタックヒータ１３を加熱することにより燃料電池スタック１０の昇温が加速される。また、空気ヒータ７５をオンにすることもできる。
この自己発熱モードにおいて、燃料電池スタック１０による発電のみでは各種装置を作動することが困難な場合が多い、従って、既述のように燃料電池スタック１０の電力と補助電源９２の電力とを電力配分装置９２において適切な配分で併用して（いわゆるハイブリッド的に）出力する。
もちろん、燃料電池スタック１０による発電で充分な場合は補助電源の電力を併用する必要はない。
また、この自己発熱モードにおいて、必要に応じて、車輌の電源系へ電力を供給することができる。

燃料電池スタック１０で生産された電力は水供給系の加熱にも利用される。図９Ａに水タンクヒータ２３の制御用フローチャートを示す。水タンクヒータ２３は水温が氷点（この実施例では０℃）以下のときに常にＯＮ状態になる。即ち、ステップ７８１で水タンク２２の水温を測定し、その温度が０℃以下のときは水タンクヒータ２３をオンとし（ステップ７８２）、水タンク２２の温度が０℃を超えたときに水タンクヒータ２３をオフとする（ステップ７８４）。
図９Ｂに配管部ヒータ３３の制御用フローチャートを示す。配管部ヒータ３３は外気温度が氷点（この実施例では０℃）以下のときに常にＯＮ状態になる。即ち、ステップ７８５で外気温度を測定し、その温度が０℃以下のときは配管部ヒータ３３をオンとし（ステップ７８７）、外気温度が０℃を超えているときには配管部ヒータ３３をオフとする（ステップ７８８）。これにより、水供給系２０が動作可能となる。
上記図９Ａ及び図９Ｂのフローチャートはモードの如何に拘わらず実行することができる。

図７のフローチャートに戻り、燃料電池スタック１０の温度（即ち空気出口温度）が氷点（この実施例では０℃）以上となるとスタックヒータをオフとする（ステップ７９、８０、８１）。ここまで暖機が進行すると燃料電池スタック１０が凍結するおそれがなく、かつヒータをオンしていると必要以上に電力を消費するので効率を考慮してオフしたほうが好ましいためである。
そして燃料電池スタック１０の温度が５℃を超えた時点で温度制御モードへ移行する（ステップ８２、８３）。

温度制御モードの動作を図１０のフローチャートに基づいて説明する。
このモードでは燃料電池スタック１０の電力が車輌電源系へも出力可能とされる（ステップ９２）。このときの空気供給量（即ち空気ファン７５）は燃料電池スタックの空気出口温度（Ｔｆｃ）と燃料電池スタック１０の出力（Ｉｆｃ）に基づいて制御される。即ち、これらの関係（図１１）が制御装置９０のメモリに保存されており、空気出口センサ３９の検出結果と出力センサ１１３との検出結果に基づき、制御装置９０は空気ファン７３の空気流量を決定する（ステップ９２）。当該温度制御モードにおける空気流量は自己発熱モードにおける空気流量よりも大きい。これは、低下させた発電効率を元に戻すためと、燃料電池スタック１０の温度が高くなっているためであり、また十分な空気流量を確保して燃料電池スタック１０を冷却してオーバーヒートを回避する必要もある。

他方、温度制御モードでは燃料電池スタック１０が空気流によってのみ冷却される。また、車輌の駆動装置のような大きな負荷へ連結した場合には燃料電池スタック１０がオーバーヒートしやすくなる。そこでこの発明では、燃料電池スタックの出力が制限される（ステップ９４、９５，９６）。この実施例では上限値を燃料電池スタック１０の定格出力の５０％とした。また、オーバーヒートを確実に防止するため燃料電池スタック１０の出力を停止させる場合もある。
燃料電池スタック１０による発電のみでは各種装置を作動することが困難な場合がある。その場合には、燃料電池スタック１０の電力と補助電源９２の電力を電力選択部９２において適切な配分で併用して（いわゆるハイブリッド的に）出力することができる。もちろん、燃料電池スタック１０による発電で充分な場合は補助電源の電力を併用する必要はない。

ステップ７８では、自己発熱モードと同様に、水供給系の加熱制御が図９Ａ及び図９Ｂのフローチャートに従って実行される。
そして、燃料電池スタック１０の温度が４０℃以上となったときに定常運転モードへ移行する（ステップ９６、９７、９８）。図３において、温度制御モードにある程度の時間を要しているのは、水供給系の解凍を完全に行う必要があるからである。

定常運転モードにおいては、水供給系２０が稼働されてノズル２１より直噴水が燃料電池スタック１０へ供給される。これにより、燃料電池スタック１０を定格で作動させても、ヒートアップやドライアップが生じることはない。この定常運転モードにおいて空気流量及び水素ガス流量は燃料電池装置に要求される出力に応じて適宜制御される。水供給系からの直噴水量は燃料電池スタック１０の温度や出力に応じて適宜制御される。なお、この定常運転モードにおいても水供給系２０に付設された加熱装置は図９Ａ及び図９Ｂのフローチャートに基づいて制御される。これは、寒冷地における水供給系の凍結を確実に防止するためである。

寒冷地において燃料電池装置を停止するときには、燃料電池スタック１０及び水供給系２０の配管部３０から水分を完全にパージする必要がある。そのため水供給系２０の配管部３０へ外気導入電磁弁３４から外気を送り込んで、系内の全水分を水タンク２２へ回収する。
この実施例の燃料電池装置では、水素供給系４０による水素の供給を停止した後も空気ファンを駆動して空気を流通させるが、そのときヒータ７５をオンとして一定時間加熱された空気を供給する。これにより、燃料電池スタック１０内から水分を除去することができる。その後、ヒータ７５をオフとしてクールダウンする。

上記の説明は燃料電池スタックの温度が−２５℃未満の低温環境における起動動作に関するものである。燃料電池スタックの温度が−２５℃以上５℃未満の場合は、燃料電池装置は自己発熱モード→温度制御モード→定常運転モードのように起動される。また、燃料電池スタックの温度が５℃以上４０℃未満の場合は、温度制御モード→定常運転モードのように起動される。
上記において、外部加熱モードと自己発電モードとの閾値温度は燃料電池スタック動作させたときの生成水が凍結するか否かにより任意に定めることができる。また、自己発電モードと温度制御モードとの閾値温度は車輌を駆動するのに十分な電力を発電できるか否かにより任意に定めることができる。温度制御モードと通常運転モードとの閾値温度は燃料電池スタックの冷却及び／又は加湿に対して直噴水が有効に作用するか否かに基づいて任意に定めることができる。

このように構成された実施例の燃料電池装置によれば、燃料電池本体部の温度に基づいて暖機運転のモードを適切に選択することにより、暖機運転を出来る限り速やかに行うことができる。また、燃料電池本体部のオーバヒートやドライアップを未然に防止できる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１はこの発明の実施例の燃料電池装置の構成を示す。図２は同じく燃料電池装置の制御系を示すブロック図である。図３は同じく燃料電池スタック温度とモードとの関係を示す図である。図４は同じく燃料電池装置の基本動作を示すフローチャートである。図５は外部加熱モードの動作を示すフローチャートである。図６は外部加熱モードにおける空気風量マップである。図７は自己加熱モードの動作を示すフローチャートである。図８は自己発熱モードにおける空気風量マップである。図９は水供給系の加熱装置の動作を示すフローチャートである。図１０は温度制御モードの動作を示すフローチャートである。図１１は温度制御モードにおける空気風量マップである。

符号の説明

１燃料電池装置
１０燃料電池スタック
１３スタックヒータ
２０水供給系
２３水タンクヒータ
４０水素供給系
５０空気供給系

Claims

燃料電池本体部、該燃料電池本体部へ水分を供給する補機部、加熱装置、外部電力受入部、及び起動制御装置を備える車輌用燃料電池装置であって、
前記車輌用燃料電池装置の凍結時、前記起動制御装置により次の３つのモードが、外部加熱モード、自己発熱モード及び温度制御モードの順に実行される、
(1) 前記燃料電池本体部は停止状態で、前記外部電力受入部から受け入れた外部電力により前記加熱装置を作動する外部加熱モード、
(2) 前記燃料電池本体部が作動して発熱することにより該燃料電池本体部を昇温する自己発熱モード、
(3) 前記燃料電池本体部が作動するとともに前記燃料電池本体へ供給する空気量を前記自己発熱モードよりも多くして前記燃料電池本体の温度を制御する温度制御モード、
ことを特徴とする車輌用燃料電池装置。
前記外部加熱モードは前記燃料電池本体部の生成水が凍結する第１の温度以下において実行され、
前記燃料電池本体が前記第１の温度を超えてかつ前記燃料電池本体部が車輌電源系へ十分な電力を供給できる第２の温度となるまでの範囲において前記自己発熱モードが実行され、
前記燃料電池本体部が前記第２の温度以上でありかつ前記補機部の水分の解凍終了まで前記温度制御モードが実行され、
前記補機部の水分の解凍終了後に前記補機部を稼動する定常運転モードが実行される、ことを特徴とする請求項１に記載の車輌用燃料電池装置。
燃料電池本体部、該燃料電池本体部へ水分を供給する補機部、加熱装置、外部電力受入部を備える車輌用燃料電池装置の起動方法であって、
前記車輌用燃料電池装置の凍結時、
(1) 前記燃料電池本体部は停止状態で、前記外部電力受入部から受け入れた外部電力により前記加熱装置を作動する外部加熱モード、
(2) 前記燃料電池本体部が作動して発熱することにより該燃料電池本体部を昇温する自己発熱モード、
(3) 前記燃料電池本体部が作動するとともに前記燃料電池本体へ供給する空気量を前記自己発熱モードよりも多くして前記燃料電池本体の温度を制御する温度制御モード、
が順次実行される、ことを特徴とする車輌用燃料電池装置の起動方法。
燃料電池本体部、該燃料電池本体部へ水分を供給する補機部、加熱装置、外部電力受入部、及び起動制御装置を備える車輌用燃料電池装置であって、
前記車輌用燃料電池装置の凍結時、前記起動制御装置は次の２つのモードを自己発熱モード及び温度制御モードの順に実行する、
(2) 前記燃料電池本体部が作動して発熱することにより該燃料電池本体部を昇温する自己発熱モード、
(3) 前記燃料電池本体部が作動するとともに前記燃料電池本体へ供給する空気量を前記自己発電モードよりも多くして前記燃料電池本体の温度を制御する温度制御モード、
ことを特徴とする車輌用燃料電池装置。
前記燃料電池本体の内部温度が前記第１の温度を超えてかつ前記燃料電池本体部が車輌電源系へ十分な電力を供給できる第２の温度となるまでの範囲において前記自己発熱モードが実行され、
前記燃料電池本体部が前記第２の温度以上でありかつ前記補機部の水分の解凍終了まで前記温度制御モードが実行され、
前記補機部の水分の解凍終了後に前記補機部を稼動する定常運転モードが実行される、ことを特徴とする請求項４に記載の車輌用燃料電池装置。