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JP2008034139A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】インタークーラ２４冷却用の第１冷却水ポンプ３２に異常が生じた場合でも、燃料電池スタック１２の発電運転時間を長くすることである。
【解決手段】燃料電池スタック１２に空気を供給するエアコンプレッサ１８と、酸化ガス供給流路１４の途中でインタークーラ２４よりもガスの下流側の空気の温度を検出する温度センサ２６と、制御部６６とを設ける。制御部６６は、第１冷却水ポンプ３２の異常の有無を判定する冷却部異常判定手段と、異常が生じたと判定された場合に温度センサ２６により検出された空気の温度に応じて、エアコンプレッサ１８の回転数を制御するエアコンプレッサ作動制御手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに反応ガスを供給するためのガス供給流路と、ガス供給流路に設けられたインタークーラと備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池スタックは、例えばアノード側電極、電解質膜およびカソード側電極から成る膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを１組の燃料電池セルとして、これを複数組積層した燃料電池セル積層体により構成している。すなわち、各燃料電池セルは、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面にアノード側電極を、他方の面にカソード側電極を、それぞれ配置して、さらに両側にセパレータを設けることにより構成している。そして、このような燃料電池セルを複数組積層し、さらに集電板、絶縁板およびエンドプレートで狭持することにより、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成する。
このような燃料電池では、アノード側電極に燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給すると共に、カソード側電極に、酸化ガス、例えば空気を供給する。これにより、燃料ガスおよび酸化ガスが電池反応に供されて、起電力を発生し、カソード側電極では、水が生成される。
また、燃料電池スタックに酸化ガスを供給するためにガス供給流路を設けるとともに、ガス供給流路の上流側にガス圧縮機であるエアコンプレッサを設けている。また、ガス供給流路の途中でエアコンプレッサと燃料電池との間にインタークーラを設けて、エアコンプレッサで圧縮された空気等の酸化ガスが温度上昇した場合でも酸化ガスを冷却し、過度に温度上昇した高温の酸化ガスが燃料電池スタックに入り込むのを防止することが考えられている。すなわち、過度に温度上昇した酸化ガスが燃料電池スタックに入り込むと、燃料電池スタック内の電解質膜等の燃料電池スタックの構成部品が熱劣化する可能性があるが、インタークーラを設けた場合には、熱劣化を有効に防止できる可能性がある。インタークーラを設ける場合には、インタークーラ冷却用の冷媒流路と、冷媒流路の途中の冷媒ポンプとを設ける。また、冷媒ポンプにより冷却水等の冷媒を冷媒流路に循環させる。
特開２００２−１８４４３５号公報 特開２００３−１２９９６１号公報 特開２００５−２５１６９４号公報
上記のように燃料電池システムにインタークーラを設けた場合でも、冷媒ポンプ等、インタークーラを冷却する冷却部の構成部品に故障等の異常が発生した場合には、インタークーラにより燃料電池スタックに送り込む酸化ガスの過度な温度上昇を防止できない可能性がある。これに対して、特許文献１に記載された燃料電池システムの場合、インタークーラに対応する熱交換装置を冷却する冷却系に異常が生じたことが検出された場合に、制御装置が空気圧縮装置を停止させる。このため、熱交換装置の冷却系に異常が生じた場合には、燃料電池の発電運転が、他の条件にかかわらずに常に停止されてしまう。
ただし、燃料電池に送り込むガスを冷却する熱交換装置の冷却系に異常が生じていても、燃料電池に送られる酸化ガスが過度に温度上昇していない場合には、燃料電池を発電させるのに問題はない。
このような事情から本発明者は、熱交換装置の冷却部に異常が生じた場合でも、燃料電池の発電に支障がない場合に発電できれば、燃料電池の発電運転時間を長くできると考えるに至った。
本発明は、冷媒ポンプを含むインタークーラの冷却部に異常が生じた場合でも、燃料電池の発電に支障がない場合に発電可能とすることにより、燃料電池の発電運転時間を長くできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給するためのガス供給流路と、ガス供給流路に設けられたガス供給装置と、反応ガスの温度を検出する温度検出手段と、ガス供給装置を通過したガスを冷却するインタークーラと、インタークーラを冷却する冷媒を流す冷媒流路と、冷媒流路に設けられた冷媒ポンプと、制御部と、を備え、制御部は、冷媒ポンプを含むインタークーラの冷却部の異常状態の有無を判定する冷却部異常判定手段と、インタークーラの冷却部に異常が発生したと判定された場合に温度検出手段により検出された反応ガスの温度に応じてガス供給装置の作動状態を制御するガス供給装置作動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である。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて好ましくは、ガス供給装置をガス圧縮機とし、ガス供給装置作動制御手段は、インタークーラの冷却部に異常が発生したと判定された場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度に応じて反応ガスの温度が所定値以下になるように、ガス圧縮機の回転数を制御する。
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて好ましくは、ガス供給装置をガス圧縮機とし、ガス供給装置作動制御手段は、インタークーラの冷却部に異常が発生したと判定された場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度と、反応ガスの温度に対応して設定したガス圧縮機の最大許容回転数または最大許容回転数の関係値を表すマップのデータとから、ガス圧縮機の回転数を制御する。
また、より好ましくは、ガス供給流路において燃料電池よりもガスの上流側で、インタークーラよりもガスの下流側に加湿器を設けるとともに、温度検出手段は、ガス供給流路において加湿器よりも上流側の反応ガスの温度を検出するものとする。
本発明に係る燃料電池システムによれば、制御部は、冷媒ポンプを含むインタークーラの冷却部の異常状態の有無を判定する冷却部異常判定手段と、インタークーラの冷却部に異常が発生したと判定された場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度に応じてガス供給装置の作動状態を制御するガス供給装置作動制御手段とを有するため、過度に温度上昇した反応ガスが燃料電池に送られることを防止しつつ、燃料電池が発電運転する時間を長くできる。このため、インタークーラの冷却部に異常が生じた場合に、他の条件に関わらず燃料電池の発電運転を停止させる、特許文献１に記載された燃料電池システムの場合よりも、燃料電池の発電運転時間を長くできる。
また、本発明の燃料電池システムを車両に搭載して燃料電池車とした場合には、インタークーラの冷却部に異常が生じた場合に、燃料電池車が停止したままの状態になり続けることを防止して、燃料電池車を牽引車等、他の車両により牽引や運搬させることなく、修理工場や安全な脇道等まで燃料電池車を運転する、いわゆるリンプホーム運転を容易に行え、しかも出力を高くできる発電運転を行える時間を長くして、リンプホーム運転に要する時間を短くできる。
なお、特許文献２に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池に空気を供給する圧縮機を、低圧段圧縮機と高圧段圧縮機との２段で構成し、通常運転時には空気を低圧段圧縮機および高圧段圧縮機の２段を通過させることにより圧縮空気を燃料電池に供給し、燃料電池の負荷が低下した場合に、空気を低圧段圧縮機に通過させた後、高圧段圧縮機に通過させないで燃料電池に供給している。また、圧縮機の吐出空気温度を、燃料電池の動作温度に合わせるとされている。
ただし、この特許文献２に記載された燃料電池システムの場合には、本発明の場合と異なり、燃料電池に送り込む空気を冷却するインタークーラの冷却部に異常が生じた場合でも、燃料電池を発電可能とすることは考慮されていない。冷却部に異常が生じた場合でも、燃料電池の負荷が低下していない通常運転時には、低圧段圧縮機で圧縮された空気がさらに高圧段圧縮機に送り込まれ、過度に温度上昇した空気が燃料電池に送り込まれる可能性がある。このような特許文献２に記載された燃料電池システムは、本発明の場合と異なり、燃料電池に送り込む空気を冷却するインタークーラの冷却部に異常が生じた場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度に応じてガス供給装置の作動状態を制御する構成を備えていない。
また、特許文献３に記載された燃料電池システムの場合、外気の空気密度の代わりに外気温度を測定して、外気温度に応じて補正した空気の供給流量が得られるようにするため、圧縮機の回転数を制御し、回転数に基づいた燃料電池の発電応答時間を推定するようにしている。ただし、特許文献３に記載された燃料電池システムの場合には、本発明の場合と異なり、ガス供給装置を通過した空気を冷却するインタークーラすら備えていない。ましてやインタークーラを冷却する冷却部に異常が生じた場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度に応じてガス供給装置の作動状態を制御する構成を備えていない。
［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図２は、第１の発明の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の略構成図である。
燃料電池システム１０は、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１２を有する。この燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で触媒反応により発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電池化学反応を起こさせることにより、水を生成する。アノード側電極からカソード側電極へ図示しない外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。燃料ガスと酸化ガスとは、それぞれ反応ガスに相当する。
また、燃料電池スタック１２の内部で、セパレータの近くには、図示しない内部冷媒流路を設けている。この内部冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック１２の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。
また、酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために、酸化ガス供給流路１４を設けている。酸化ガス供給流路１４のガスの上流部にエアクリーナ１６を設けており、外気をエアクリーナ１６を通じて酸化ガス供給流路１４に取り入れることにより、ガス圧縮機であるエアコンプレッサ１８に空気を供給し、エアコンプレッサ１８で加圧した後、加湿器２０で加湿するようにしている。エアコンプレッサ１８はモータ２２により駆動させる。そして、加湿した空気を、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の酸化ガス内部流路に供給するようにしている。また、酸化ガス供給流路１４において、エアコンプレッサ１８と加湿器２０との間にインタークーラ２４を設けて、エアコンプレッサ１８を通過した空気をインタークーラ２４で冷却している。また、酸化ガス供給流路１４において、インタークーラ２４と加湿器２０との間の、エアコンプレッサ１８の出口側の空気の温度である、出口側空気温度を検出するために、温度検出手段である温度センサ２６を設けている。
加湿器２０は、燃料電池スタック１２から酸化ガス排出流路２８に排出された空気に含まれる水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、空気を加湿する役目を果たす。例えば、加湿器２０は、多数の中空糸膜の内側と外側とに水分含有量の異なるガスが供給された場合に、水分含有量の多いガス中の水分が中空糸膜を通過するようにして、水分含有量の少ないガスに水分を与える。
また、インタークーラ２４を冷却するために、冷媒である冷却水を流す第１冷媒流路３０を設けており、第１冷媒流路３０の途中に設けた冷媒ポンプである第１冷却水ポンプ３２により、冷却水を第１冷媒流路３０内に循環させるようにしている。第１冷却水ポンプ３２は、回転速度の調節可能なモータ３４で駆動させることにより、吐出流量を変化させることができるようにしている。また、第１冷媒流路３０の途中に、冷却水を冷却するための第１ラジエータ３６を設けている。冷却水は、第１冷却水ポンプ３２により昇圧し、インタークーラ２４に供給することにより、インタークーラ２４が温度上昇している場合にインタークーラ２４を冷却する。本実施の形態の場合、第１冷媒流路３０と第１冷却水ポンプ３２と第１ラジエータ３６とにより、インタークーラ２４の冷却部を構成する。
燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電池化学反応に供された後の空気は、燃料電池スタック１２から酸化ガス排出流路２８を通じて排出され、加湿器２０およびマフラー３８を通過した後、大気に放出される。酸化ガス排出流路２８の途中で加湿器２０よりもガスの上流側に圧力制御弁４０を設けており、燃料電池スタック１２に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック１２の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。マフラー３８は、ガスの排出に伴う排気音を低減する役目を果たす。
また、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するために、燃料ガス供給流路４２を設けている。燃料ガス供給装置である高圧水素タンク等の図示しない水素ガス供給装置から燃料ガス供給流路４２に供給された水素ガスは、燃料制御弁４４および入口開閉弁４６を介して燃料電池スタック１２に供給される。燃料電池スタック１２のアノード側電極側の燃料ガス流路に供給され、電池化学反応に供された後の水素ガスは、燃料電池スタック１２から燃料ガス排出流路４８に排出された後、第１出口開閉弁５０および第２出口開閉弁５２を介して排出される。燃料ガス排出流路４８の途中に水素ポンプ５４を設けており、燃料電池スタック１２から排出された水素ガスを昇圧する。
また、燃料ガス排出流路４８の水素ポンプ５４よりもガスの下流側に、燃料ガス供給流路４２と接続された循環路５６を設けており、第２出口開閉弁５２が閉鎖されている場合に、水素ポンプ５４で昇圧された水素ガスを、循環路５６を通じて燃料ガス供給流路４２に戻すようにしている。
また、燃料電池スタック１２を冷却するために、燃料電池スタック１２の内部冷媒流路と通じさせた第２冷媒流路５８を設けている。第２冷媒流路５８の途中に、第２冷却水ポンプ６０と第２ラジエータ６２とを設けている。第２冷却水ポンプ６０は、冷却水を第２冷媒流路５８に循環させる。第２冷却水ポンプ６０は、回転速度の調節可能なモータ６４で駆動させることにより、吐出流量を変化させることができるようにしている。
一方、インタークーラ２４冷却用の第１冷媒流路３０に設けた第１冷却水ポンプ３２の故障等の異常の有無を判定するために、制御部６６を設けている。制御部６６は、第１冷却水ポンプ３２の故障等の異常の有無を判定する冷却部異常判定手段と、エアコンプレッサ１８の作動状態である回転数を制御するエアコンプレッサ作動制御手段、すなわちガス供給装置作動制御手段とを有する。また、制御部６６は、図示しない起動スイッチからの信号等の、入力信号を与えられることに対応して、圧力制御弁４０、燃料制御弁４４等の制御を行う。
冷却部異常判定手段は、制御部６６に送られる、第１冷却水ポンプ３２を駆動するモータ３４の回転数の検出信号に基づいて、回転要求があるのに関わらず回転数が０である等、異常がある場合に、第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定する。なお、冷却部異常判定手段は、第１冷却水ポンプ３２のモータ３４の回転数を監視するのではなく、モータ３４に接続した回路である図示しないモータ回路に断線または短絡が生じたことを検出した場合に、第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定することもできる。また、モータ３４の温度を検出する温度センサを設けるとともに、温度センサからのモータ３４の温度の検出信号を制御部６６に送り込み、モータ３４の温度が異常に低下または上昇した場合に、制御部６６により第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定することもできる。
また、エアコンプレッサ作動制御手段は、第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定された場合に、温度センサ２６により検出されたエアコンプレッサ１８の出口側の空気の温度（出口側空気温度）に応じて出口側空気温度が一定の所定値以下になるように、エアコンプレッサ１８のモータ２２を介して、エアコンプレッサ１８の回転数をフィードバック制御する。
次に、図１に示す基本構成図と、図２に示すフローチャートとを用いて、制御部６６によりエアコンプレッサ１８の回転数を制御する方法を説明する。制御部６６の冷却部異常判定手段が、ステップＳ１において、第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定すると、ステップＳ２において、制御部６６が、酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１８吐出後の出口側空気温度を温度センサ２６により検出させ、その検出信号を制御部６６に入力させる温度監視モードに移る。そして、ステップＳ３において、制御部６６のエアコンプレッサ作動制御手段が、温度センサ２６からの検出信号に基づいて、温度センサ２６により温度を検出する部分の出口側空気温度が一定の所定温度以下になるように、エアコンプレッサ１８の回転数をフィードバック制御する。
すなわち、エアコンプレッサ１８の回転数が高くなると、空気の断熱圧縮により出口側空気温度は上昇する。逆に、エアコンプレッサ１８の回転数が低くなると出口側空気温度は低下する。このため、エアコンプレッサ作動制御手段が、出口側空気温度を監視しながらエアコンプレッサ１８の回転数を制御することで、出口側空気温度を一定の所定温度以下に調整できる。所定温度は、温度センサ２６よりもガスの下流側に設けた加湿器２０および燃料電池スタック１２に空気が送り込まれた場合に、加湿器２０の構成部品および燃料電池スタック１２の構成部品のいずれもが熱劣化しない、すなわち加湿器２０および燃料電池スタック１２を正常に使用できる温度とする。また、エアコンプレッサ１８の回転数を低くする場合には、燃料電池スタック１２に送られる空気の流量が低下して、燃料電池スタック１２の発電電力に制限がかかる。
なお、ステップＳ１において、第１冷却水ポンプ３２に異常が発生していない正常状態であると判定された場合には、燃料電池車のアクセルペダルの踏み込み度合いや、図示しない走行用モータの回転数等に基づいて、燃料電池スタック１２における必要発電量を算出し、必要発電量に基づいて決定したエアコンプレッサ１８の回転数を得られるように、制御部６６によりエアコンプレッサ１８の回転数を制御する。
上記のように第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定された場合に、温度センサ２６により検出された出口側空気温度に応じてエアコンプレッサ１８の回転数を制御するので、第１冷却水ポンプ３２に異常が生じた場合でも、加湿器２０および燃料電池スタック１２に送り込む空気の温度を、加湿器２０および燃料電池スタック１２に性能上問題が生じない温度とすることができ、しかも、燃料電池スタック１２の発電運転時間を長くできる。
すなわち、本実施の形態によれば、過度に温度上昇した反応ガスが燃料電池スタック１２に送られることを防止しつつ、燃料電池スタック１２が発電運転する時間を長くできる。このため、インタークーラの冷却部に異常が生じた場合に、他の条件に関わらず燃料電池の発電運転を停止させる、上記の特許文献１に記載された燃料電池システムの場合よりも、燃料電池スタック１２の発電運転時間を長くできる。
また、燃料電池システム１０を車両に搭載して燃料電池車とする本実施の形態の場合には、第１冷却水ポンプ３２に異常が生じた場合に、燃料電池車が停止したままの状態になり続けることを防止できる。このため、燃料電池車を牽引車等、他の車両により牽引や運搬させることなく、修理工場や安全な脇道等まで燃料電池車を運転する、いわゆるリンプホーム運転を容易に行え、しかも出力を高くできる発電運転を行える時間を長くして、リンプホーム運転に要する時間を短くできる。
なお、本実施の形態の場合、酸化ガス供給流路１４において、加湿器２０よりもガスの上流側に温度センサ２６を設けて、エアコンプレッサ１８から吐出後の空気の温度を検出するようにしているが、温度センサ２６を、酸化ガス供給流路１４の図１のＡの位置である、加湿器２０よりもガスの下流側の空気の温度を検出するようにしてもよい。この場合には、燃料電池スタック１２に過度に温度上昇した空気が送られることを防止できる。ただし、本実施の形態のように、酸化ガス供給流路１４において、加湿器２０よりもガスの上流側に温度センサ２６を設けて、エアコンプレッサ１８から吐出後の空気の温度を検出する方が、加湿器２０に過度に温度上昇した空気が送られないようにする面からはより有効である。
［第２の発明の実施の形態］
次に、図３から図４は、第２の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、上記の図１から図２に示した第１の発明の実施の形態において、温度センサ２６（図１参照）により、エアコンプレッサ１８（図１参照）から吐出された空気の温度である出口側空気温度を検出させるとともに、制御部６６（図１参照）により、図４に示すようなマップのデータを用いて、検出された出口側空気温度に対応するエアコンプレッサ回転数制限率を決定するようにしている。エアコンプレッサ回転数制限率とは、エアコンプレッサ１８の設計時における最大定格回転数ＴＡに対する、出口側空気温度に対応するエアコンプレッサ１８の最大許容回転数ＴＢの割合｛＝（ＴＢ/ＴＡ）×１００｝をいい、エアコンプレッサ１８の最大許容回転数ＴＢの関係値である。例えば、エアコンプレッサ１８の最大定格回転数ＴＡが１万min-１（r.p.m.）の場合、回転数制限率が５０％であるとは、エアコンプレッサ１８の最大許容回転数ＴＢが５０００min-１（r.p.m.）であることに相当する。なお、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成自体は、上記の図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、以下、図１と同等部分には図１で示した符号を用いて説明する。
本実施の形態の場合、あらかじめ図４に示すような、エアコンプレッサ１８吐出後の空気の温度である、出口側空気温度と、出口側空気温度に対応して設定した回転数制限率との関係を表すマップを作成しておく。このマップでは、上記出口側空気温度が高くなるにしたがって、回転数制限率が減少している。そして、この回転数制限率に対応する回転数以下にエアコンプレッサ１８の回転数を制御することにより、エアコンプレッサ１８吐出後の空気の出口側空気温度が、加湿器２０および燃料電池スタック１２に性能上問題が生じない温度である限界温度（図４の例の場合は８０℃）以下になるようにしている。なお、図４では、出口側空気温度が８０℃である場合に回転数制限率を０としているが、これはマップの温度と回転数制限率との関係の傾向を示す１例に過ぎず、本実施の形態に使用するマップが図４のマップに限定されるものではない。例えば、マップの回転数制限率と出口側空気温度との関係は、加湿器２０および燃料電池スタック１２の構成部品の耐熱性等に応じて適宜決定される。
制御部６６は、このようなマップのデータを予めメモリに記憶させておき、図３のステップＳ３で、このマップのデータと、温度センサ２６により検出された出口側空気温度とから、温度に対応する回転数制限率を決定する。そして、制御部６６のエアコンプレッサ作動制御手段は、ステップＳ４で、エアコンプレッサ１８の回転数が、上記回転数制限率に対応する最大許容回転数以下になるように、エアコンプレッサ１８を制御する。例えば、図４に示したマップのデータを用いた場合、エアコンプレッサ１８の最大定格回転数が１万min-１であり、検出された出口側空気温度が６０℃であれば、エアコンプレッサ１８作動制御手段は、エアコンプレッサ１８の回転数が、回転数制限率２０％に対応する２０００min-１以下になるようにエアコンプレッサ１８の作動を制御する。また、同じ場合で、上記出口側空気温度が８０℃であれば、エアコンプレッサ作動制御手段は、エアコンプレッサ１８の回転数を０にする、すなわち、エアコンプレッサ１８の回転を停止させる。
このような本実施の形態によっても、上記の第１の実施の形態と同様に、過度に温度上昇した反応ガスが燃料電池スタック１２に送られることを防止しつつ、燃料電池スタック１２が発電運転する時間を長くできる。なお、エアコンプレッサ１８の最大定格回転数が予め決定している場合に、図４に示したマップの代わりに、出口側空気温度と、出口側空気温度に対応して設定したエアコンプレッサ１８の最大許容回転数自体との関係を表すマップを作成し、このマップのデータを使用することもできる。
その他の構成は、上記の第１の実施の形態の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。
［第３の発明の実施の形態］
次に、図５は、第３の発明の実施の形態を示している。本実施の形態の場合には、温度センサ２６（図１参照）により、エアコンプレッサ１８（図１参照）から吐出された空気の出口側空気温度ではなく、エアコンプレッサ１８に供給される前の空気の温度である入口側空気温度を検出するようにしている。具体的には、酸化ガス供給流路１４（図１参照）において、エアクリーナ１６（図１参照）とエアコンプレッサ１８との間位置（図１のＢ位置）の内側の空気の温度を、温度センサ２６により検出する。そして温度センサ２６からの検出信号を制御部６６（図１参照）に送り込む。なお、本実施の形態の燃料電池システムの基本構成自体も、上記の図１に示した第１の実施の形態と同様であるため、以下、図１と同等部分には図１で示した符号を用いて説明する。
本実施の形態の場合には、エアコンプレッサ１８に供給される前の入口側空気温度から、エアコンプレッサ１８で空気を断熱圧縮することにより温度上昇する上昇温度分を予測し、エアコンプレッサ１８通過後の空気が加湿器２０および燃料電池スタック１２に送られても、空気の温度が加湿器２０および燃料電池スタック１２の構成部品が性能上問題にならない温度以下になるように、エアコンプレッサ作動制御手段により、エアコンプレッサ１８の回転数を制御する。このために、本実施の形態の場合には、エアコンプレッサ１８に送られる空気の入口側空気温度と、入口側空気温度に対応して設定したエアコンプレッサ１８の回転数制限率との関係を表すマップを作成する。回転数制限率の意味は、上記の図３から図４に示した第２の実施の形態の場合と同様である。
本実施の形態の場合のマップの曲線は、上記の図４に示したマップで、横軸の温度をエアコンプレッサ１８に供給される前の空気の入口側空気温度とした場合に、図４のマップの曲線よりも下側に位置する。すなわち、空気がエアコンプレッサ１８を通過することにより温度上昇する分を考慮して、入口側空気温度に対応する回転数制限率を、図４の場合のエアコンプレッサ１８吐出後の出口側空気温度に対応する回転数制限率よりも低くする。制御部６６では、上記マップのデータをメモリに記憶させておく。
発電運転時には、図５のステップＳ１で、制御部６６の冷却部異常判定手段が、第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定すると、ステップＳ２において、制御部６６は、酸化ガス供給流路１４のエアコンプレッサ１８の入口側空気温度を温度センサ２６により検出させ、その検出信号を制御部６６に入力させる温度監視モードに移る。そして、ステップＳ３において、制御部６６のエアコンプレッサ作動制御手段は、温度センサ２６の検出信号が表す入口側空気温度の検出値と、上記マップのデータとから、入口側空気温度に対応する回転数制限率を決定する。そして、エアコンプレッサ作動制御手段は、ステップＳ４で、エアコンプレッサ１８の回転数が、決定した回転数制限率に対応する最大許容回転数以下になるように、エアコンプレッサ１８の作動を制御する。
上記回転数制限率は、エアコンプレッサ１８通過後の空気が加湿器２０および燃料電池スタック１２に送り込まれた場合に、加湿器２０の構成部品および燃料電池スタック１２の構成部品のいずれもが熱劣化しない、すなわち加湿器２０および燃料電池スタック１２を正常に使用できる最大許容回転数に対応するものとする。
このように第１冷却水ポンプ３２の異常が検出された場合に、温度センサ２６により検出された入口側空気温度に応じてエアコンプレッサ１８の回転数を制御するので、第１冷却水ポンプ３２に異常が生じた場合でも、加湿器２０および燃料電池スタック１２に送り込む空気の温度を、加湿器２０および燃料電池スタック１２に性能上問題が生じない温度とすることができ、しかも、燃料電池スタック１２の発電運転時間を長くできる。また、本実施の形態の場合には、エアコンプレッサ１８吐出後の空気の温度を検出する温度センサを省略できる。
なお、本実施の形態の場合には、酸化ガス供給流路１４においてエアコンプレッサ１８よりもガスの上流側の空気の温度を、温度センサ２６により検出しているが、温度センサ２６を酸化ガス供給流路１４以外の外気の温度を検出できる部分に設けて、温度センサにより検出した外気温を表す検出信号を制御部６６に入力させることもできる。なお、エアコンプレッサ１８の最大定格回転数が予め決定している場合に、入口側空気温度とエアコンプレッサ１８の回転数制限率との関係を表すマップの代わりに、入口側空気温度と、入口側空気温度に対応して設定したエアコンプレッサ１８の最大許容回転数自体との関係を表すマップを作成し、このマップのデータを使用することもできる
その他の構成は、上記の図３から図４に示した第２の実施の形態の場合と同様であるため、重複する説明は省略する。
なお、上記の各実施の形態の場合、制御部６６により、インタークーラ２４用の第１冷却水ポンプ３２に異常が発生したと判定された場合に、温度センサ２６により検出された空気の温度に応じてエアコンプレッサ１８の回転数を制御するようにしている。ただし、本発明はこのような構成に限定するものではなく、例えば、インタークーラ２４を冷却する冷媒を流す第１冷媒流路３０、第１ラジエータ３６等のインタークーラ２４の冷却部の他の構成部品に故障、破損等の異常が発生したことの有無を冷却部異常判定手段により判定させるようにし、異常が発生したと判定された場合に、エアコンプレッサ作動制御手段により温度センサ２６により検出された空気の温度に応じてエアコンプレッサ１８の回転数を制御することもできる。
また、上記の各実施の形態の場合、インタークーラ２４と燃料電池スタック１２とを、互いに別の冷却水ポンプ３２，６０を設けた別の２個の冷却部により冷却しているが、本発明は、インタークーラ２４と燃料電池スタック１２との冷却部を共通化させた構成でも実施できる。この場合には、第１冷却水ポンプ３２および第２冷却水ポンプ６０のいずれかを省略でき、また、第１ラジエータ３６と第２ラジエータ６２とのいずれかを省略できるので、部品点数の削減を図れ、コストの低減を図れる。
なお、本発明は、燃料電池スタックの構造を限定するものではなく、従来から知られている構造等、いろいろな構造を採用できる。
第１の発明の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示す図である。 第１の発明の実施の形態において、エアコンプレッサの回転数を制御する方法を説明するためのフローチャートである。 第２の発明の実施の形態において、エアコンプレッサの回転数を制御する方法を説明するためのフローチャートである。 第２の発明の実施の形態に使用する、エアコンプレッサ吐出後の空気の温度とエアコンプレッサの回転数制限率との関係を表すマップの１例を示す図である。 第３の発明の実施の形態において、エアコンプレッサの回転数を制御する方法を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池スタック、１４ 酸化ガス供給流路、１６ エアクリーナ、１８ エアコンプレッサ、２０ 加湿器、２２ モータ、２４ インタークーラ、２６ 温度センサ、２８ 酸化ガス排出流路、３０ 第１冷媒流路、３２ 第１冷却水ポンプ、３４ モータ、３６ 第１ラジエータ、３８ マフラー、４０ 圧力制御弁、４２ 燃料ガス供給流路、４４ 燃料制御弁、４６ 入口開閉弁、４８ 燃料ガス排出流路、５０ 第１出口開閉弁、５２ 第２出口開閉弁、５４ 水素ポンプ、５６ 循環路、５８ 第２冷媒流路、６０ 第２冷却水ポンプ、６２ 第２ラジエータ、６４ モータ、６６ 制御部。

Claims (4)

  1. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    燃料電池に反応ガスを供給するためのガス供給流路と、
    ガス供給流路に設けられたガス供給装置と、
    反応ガスの温度を検出する温度検出手段と、
    ガス供給装置を通過したガスを冷却するインタークーラと、
    インタークーラを冷却する冷媒を流す冷媒流路と、
    冷媒流路に設けられた冷媒ポンプと、
    制御部と、を備え、
    制御部は、冷媒ポンプを含むインタークーラの冷却部の異常状態の有無を判定する冷却部異常判定手段と、インタークーラの冷却部に異常が発生したと判定された場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度に応じてガス供給装置の作動状態を制御するガス供給装置作動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. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    ガス供給装置はガス圧縮機であり、
    ガス供給装置作動制御手段は、インタークーラの冷却部に異常が発生したと判定された場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度に応じて反応ガスの温度が所定値以下になるように、ガス圧縮機の回転数を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    ガス供給装置はガス圧縮機であり、
    ガス供給装置作動制御手段は、インタークーラの冷却部に異常が発生したと判定された場合に、温度検出手段により検出された反応ガスの温度と、反応ガスの温度に対応して設定したガス圧縮機の最大許容回転数または最大許容回転数の関係値を表すマップのデータとから、ガス圧縮機の回転数を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
    ガス供給流路において燃料電池よりもガスの上流側で、インタークーラよりもガスの下流側に加湿器を設けており、
    温度検出手段は、ガス供給流路において加湿器よりも上流側の反応ガスの温度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
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