(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに燃料ガスおよび／または酸化ガスを供給するガス供給装置と、燃料電池スタックと放熱装置とのあいだに冷媒を循環させる冷却装置と、前記ガス供給装置によるガス供給圧力に基づいて冷却装置の冷媒供給圧力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ガス供給圧力が平衡状態もしくは増加方向へ変化するときには前記冷媒供給圧力の目標値変化をゆるやかにするフィルタを備えるとともに、ガス供給圧力が減少方向へ変化するときには基準冷媒圧力目標値と冷媒圧力の制御目標値とを比較し、小さい方の値を目標値として設定するように構成した燃料電池の冷却制御装置。
【請求項２】
前記フィルタは、遅れ要素で構成されている請求項１に記載の燃料電池の冷却制御装置。
【請求項３】
前記フィルタは、目標値の変化率を制限するリミッタで構成されている請求項１に記載の燃料電池の冷却制御装置。
【請求項４】
前記フィルタは、ガス圧力が増加する場合には、燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の圧力がその目標圧力に略達したことを判別した後に冷媒圧力の目標値を更新するように構成されている請求項１に記載の燃料電池の冷却制御装置。
【請求項５】
前記冷却装置は、冷媒の燃料電池スタックへの冷媒供給流量を、燃料電池スタックの発電出力に応じてフィードフォワード制御するとともに、前記燃料電池スタック出口端での冷媒温度に応じてフィードバック補正を行い、かつ燃料電池スタック入口端での冷媒温度に応じて放熱装置での放熱量をフィードバック制御するように構成されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池の冷却制御装置。
【請求項６】
前記放熱装置として冷媒が循環するラジエータと、ラジエータに強制冷却風を供給する電動ファンとを備え、前記冷却制御装置はラジエータに供給する風量に応じて放熱量を制御するように構成されている請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池の冷却制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の冷却制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
固体高分子型燃料電池では、その構造によって、流入させる燃料ガスや酸化ガスの気体の圧力と、同じく流入させる冷却水の圧力との相対関係が制約される。例えば冷却水の圧力が燃料ガスおよび酸化ガス等のガス系の圧力よりも高くなると燃料電池の冷却経路のシール性の劣化が進み、あるいは破損の原因となる場合がある。この様な燃料電池においては、常に冷却水の圧力をガス系の圧力よりも低く保つように運転することが必要である。
【０００３】
気体の圧力と液体の圧力の相対関係に着目した技術としては、例えば特開平6-295734号公報に開示されたものが知られている。これは高圧容器内に設置された燃料電池に冷却水を供給するフレキシブルホースがつぶれないように、冷却水圧力が容器内ガス圧力より高くなるように、容器内ガス圧力により作動する圧力制御弁で冷却水圧力を調整するものである。しかしながら、この装置ではガスの圧力に応じて一義的に冷却水圧力が設定されてしまうので、両者の圧力および流量を任意に制御するシステムに適用するのは困難であり、また本来この技術は冷却水の圧力を気体の圧力より常に低く保つことを目的としたものではない。
【０００４】
一方、燃料電池の冷却方法に関しては、特開昭59-73856号公報に開示されたものがある。これは冷却水の燃料電池入口温度と燃料電池出口温度の差をある範囲以内に制御するようにしたものである。しかしながら、固体高分子型燃料電池では最適な運転温度がある範囲に制限されている場合があり、例えば低温過ぎると触媒の反応が鈍く、所望の電流一電圧特性が得られないおそれがあり、逆に高すぎると燃料電池の劣化が促進される。すなわち、過冷却や冷却不足は望ましい冷却状態ではなく、出入口温度差を考慮するのみならず、その温度の絶対値にも注意する必要がある。
【０００５】
燃料電池の平均温度を略一定に保持するためには、冷却水の出口温度を検出し、ある設定された目標値となるように冷却水温度をフィードバック制御する構成も考えられるが、目標値に設定される運転温度は、その燃料電池における運転上限温度の値に近い場合があり、例えば燃料電池発熱量の増加に冷却性能の上昇が間にあわない時には、出口温度が上限温度を超えてしまうおそれがある。さらに、燃料電池の冷却水入口温度だけを管理する手法も考えられるが、この場合には燃料電池の発熱量によって冷却水出口温度が変化するので、出口端での温度が必ずしも最適運転温度とはならない。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池システムにおいて必要な冷却性能を確保しつつ冷却系の圧力がガス系の圧力よりも高くなることを確実に防止して信頼性の高いシステムを得ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池スタックに燃料ガスおよび／または酸化ガスを供給するガス供給装置と、燃料電池スタックと放熱装置とのあいだに冷媒を循環させる冷却装置と、前記ガス供給装置によるガス供給圧力に基づいて冷却装置の冷媒供給圧力を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記ガス供給圧力が平衡状態もしくは増加方向へ変化するときには前記冷媒供給圧力の目標値変化をゆるやかにするフィルタを備えるとともに、ガス供給圧力が減少方向へ変化するときには基準冷媒圧力目標値と冷媒圧力の制御目標値とを比較し、小さい方の値を目標値として設定するように構成した。
【０００８】
第２の発明は、前記第１の発明のフィルタを遅れ要素から構成した。
【０００９】
第３の発明は、前記第１の発明のフィルタを目標値の変化率を制限するリミッタで構成した。
【００１０】
第４の発明は、前記第１の発明のフィルタを、ガス圧力が増加する場合には、燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の圧力がその目標圧力に略達したことを判別した後に冷媒圧力の目標値を更新するように構成した。
【００１１】
第５の発明は、前記各発明における冷却装置を、冷媒の燃料電池スタックへの冷媒供給流量を、燃料電池スタックの発電出力に応じてフィードフォワード制御するとともに、前記燃料電池スタック出口端での冷媒温度に応じてフィードバック補正を行い、かつ燃料電池スタック入口端での冷媒温度に応じて放熱装置での放熱量をフィードバック制御するように構成した。
【００１２】
第６の発明は、前記各発明における放熱装置として、冷媒が循環するラジエータと、ラジエータに強制冷却風を供給する電動ファンとを備え、かつ前記冷却制御装置はラジエータに供給する風量に応じて放熱量を制御するように構成した。
【００１３】
【作用・効果】
前記第１の発明ないし第３の発明によれば、例えば燃料電池の発電出力増大に伴い、ガス（燃料ガス、酸化ガス）および冷媒の圧力および流量を増大方向に調整する際には、フィルタにより冷媒圧力の目標値はガスの目標値より遅れて立ち上がり、同じく減少方向に調整する際には遅れ要素がなく直ちに圧力が低下する。これにより冷却用に十分な冷媒流量を確保しつつ、冷媒圧力がガス圧力を超えて燃料電池が損耗するような不都合を回避することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、冷媒圧力の目標値の立ち上がりに無駄時間を設け、ガスの圧力が定常状態になったと判断した後に冷媒圧力の目標値を更新する構成としたことから、燃料電池の負荷が変化する過渡時に冷媒圧力がガスの圧力を超えるのを防止することが可能となる。
【００１５】
第５の発明によれば、冷媒の流量を燃料電池出力に応じて決定するようにしたので、燃料電池スタックの発熱量に略応じた冷媒流量とすることができ、燃料電池温度を略一定に保持することができる。また燃料電池出口端の温度に応じて冷媒流量に補正を施すので、冷媒流量のフィードフォワード項の誤差を補正することができ、最も温度の高い燃料電池スタック出口付近において過度に温度上昇することを防止できる。また、燃料電池スタック入口端の温度に応じて冷却性能をフィードバック制御するので、燃料電池スタック入口温度は略一定に保つことが可能であり、前述の流量制御とあいまって、燃料電池スタックの入口温度および出口温度を常に最適な温度とすることができる。
【００１６】
第６の発明によれば、冷媒の流量と温度および冷却ファンの風量に基づいて最適な放熱量が制御されるので、燃料電池スタックを適温に保つことができ、かつ効率の良い運転が実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１の実施形態に係る冷却装置の概略構成である。図において、燃料電池スタック１に燃料ガス供給系２および酸化ガス供給系３（以下、これらを「ガス系」と総称する場合がある。）が備えられている。冷媒である冷却水は冷却水ポンプ５により配管４を経て燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１と熱交換した冷却水は、圧力調整弁６、冷却水タンク７を経て、放熱装置であるラジエータ９に循環供給される。８はラジエータ９に強制冷却風を供給する電動のラジエータファンである。燃料電池スタック１の冷却水出口部およびラジエータ９の冷却水出口部にはそれぞれ冷却水の温度センサ１０、１１が設けられる。制御装置（図示せず）は、例えばマイクロコンピュータおよびその周辺装置から構成され、前記温度センサ１０、１１からの温度信号に基づき、前記ポンプ５、圧力調整弁６、ラジエータファン８を制御する。
【００１８】
次に前記制御装置による冷却制御の作用につき、図2に示した制御ブロックを用いて説明する。この制御では、燃料電池の出力目標値１０３にフィードフォワードゲイン１２２が乗じられて冷却水目標流量１０９が演算される。これにより燃料電池出力に略比例して発生する燃料電池の発熱量に応じた冷却水流量を遅滞なく循環させることができ、該発熱量と略同等量の熱交換（放熱）を行わせて、燃料電池の温度を略一定に保持することが可能となる。冷却水流量制御については、燃料電池スタック１の出口温度が検出され、ある目標値となるようにフィードバック制御が併用される。すなわちこのフィードバック制御系は、前記燃料電池スタック出口の目標温度１０４、同じく温度センサ１０による検出値１０５、フイードバツクゲイン１２３から構成され、前述のフィードフォワードから定まる冷却水流量目標値に加算補正される。
【００１９】
なお、冷却水流量目標値は主としてフィードフォワード項により決定し、燃料電池スタック出口温度によりフィードバック項はその補正量の上限に制限を設ける構成とする。これにより、燃料電池発電量、すなわち損失の増加に対して遅滞なく冷却水流量を変化させることが可能となる。また、フィードバック項は補正量の上限を制限する代わりに、そのゲインを小さく設定するようにしてもよい。また、冷却水流量のフィードバックの引数としては、燃料電池出力の代わりに、燃料電池発熱量を用いてもよい。この場合、例えば燃料電池出力をパラメータとして発熱量を与えるテーブルを実験的に設定しておき、これを参照して発熱量を求めるロジックを追加するようにする。
【００２０】
ところで、燃料電池スタック１の入口ないしはラジエータ９の出口の水温は、ある目標値を持ってラジエータの通過風量により制御される。ある入口目標温度１０１と、検出された入口温度１０２の差分にフィードバックゲイン１２１が乗じられ、電動ファン８の風量目標値が演算される。これにより、ラジエータ９の出口温度は目標値に従い一定に管理されることになる。なお、この目標値は、燃料電池の最大出力発生時に、最大冷却水流量を流した状態で、燃料電池出口温度が、燃料電池の運転上限温度以下になるように設定するのがよい。具体的には燃料電池最大出力時に冷却水を最大流量流した時の冷却水出入口における温度差分を運転上限温度から減じた値以下に設定する。これにより、いかなる燃料電池出力においても、燃料電池スタック１が運転上限温度を超える事態を防止することが可能となる。
【００２１】
上記の構成により、冷却水の燃料電池出入り口温度はそれぞれ所望の値に制御されることとなる。一方、冷却水圧力の制御ロジックであるが、ガス系の圧力目標値１１３は、その変化方向を判別する手段１１１に入力され、昇圧なのか降圧なのかが判別される。なお、燃料ガスおよび酸化ガスの運転圧力目標が同一のシステムにおいては、圧力目標１１３は常にどちらか一方を選択するように構成してもよい。また、燃料ガスおよび酸化ガスの運転圧力目標が互いに異なるシステムにおいては、目標圧力の小さいほうのガス圧を選択することが望ましい。圧力目標値の代わりに、検出された圧力値を用いてもよい。
【００２２】
燃料電池出力に応じて変更される基準運転圧力目標１０６に対してはフィルタ１１２が挿入される。このフィルタはガス圧力変化の方向判別手段１１１からの信号に応じて、昇圧であると判断された場合にはフィルタとして機能するが、降圧であると判断された場合にはフィルタとして機能はせず、入力された基準圧力目標１０６と、その時点の制御目標値とを比較し、小さい方の値を出力をする構成となっている。すなわち、ガス系の圧力を上昇させる状況においては、冷却水圧力の基準目標値にフィルタを挿入することで、冷却水圧力の上昇を緩やかにし、またガス系の圧力を減少させる状況においていは、冷却水圧力目標にフィルタを挿入せず、現状の値を維持し、あるいは基準圧力目標値が現状の値より低い場合には、その基準となる圧力目標値に従い速やかに冷却水圧力を減少させるので、ガス系の圧力より冷却水の圧力が高くなるのを確実に防止することができる。このような機能を有するフィルタ１１２としては、例えば次式（１）、
ωn2／(S2+2ζωnS+ωn)  …  （１）
但しζ>1.0
で表されるよう2次の遅れフィルタが適用できる。あるいは変化率を制限するリミッタを適用してもよい。なお、基準冷媒圧力目標値とは前述の如く燃料電池の出力や運転負荷に対応したもの、あるいは例えば燃料電池車両の車速と要求駆動トルクとに応じて定められる基準値である。
【００２３】
図３に本実施形態による制御動作の実行例を示す。これは、横軸に経過時間をとり、時間ｔ０で燃料電池の出力(図示せず)を立ち上げるべく、ガスの圧力目標値３０１をステップ的に上昇させ、これに伴いガス圧力検出値３０２が図示のように立ち上がった例である。冷却水圧力目標はステップ的変化に対して２次の遅れフィルタの効果により３０３のようにすることで、実冷却水圧力は３０４の様な特性を得ることができ、過渡時においてもガス系の圧力より冷却水圧力が上昇する事態を防止できる。また、３０５は冷却水流量の目標値であるが、燃料電池の出力上昇に合わせ発熱量も増大するので、実冷却水流量３０６を遅滞なく立ち上げるように構成するのが望ましい。また３０７は圧力調整弁６（図１参照）の作動状態であり、縦軸上方向に開度「大」をとって示してある。この場合、実冷却水流量の増大に伴い冷却水圧力が上がり気味になるのを、圧力調整弁６を若干量開いて圧力を目標に合わせるようにしている。
【００２４】
図４に本発明の第２の実施形態を示す。これは前記第１の実施形態におけるフィルタ１１２の代わりに無駄時間要素（無駄時間設定手段１３１）を設けたもので、この無駄時間の大きさは、ガス系圧力目標値と検出値との差によって変更するようにしている。
【００２５】
図５は前記無駄時間の設定手段１３１の動作手順であり、これは前述したマイクロコンピュータ等からなる制御装置内にて周期的に実行されるプログラムとして設定されている。これを説明すると、まずステップ２０１で図3のガス圧力検出値からガス圧力の変化方向を入力する。次にステップ２０２でその変化が増加傾向でなければ圧力目標値は新しく入力された値に更新する。ガス圧力が増加傾向であった場合には、さらにステップ２０３でガス系の圧力目標値が、さらにステップ２０４でガス系の圧力検出値がそれぞれ入力され、ステップ２０５でこの両者が比較される。具体的には、検出値が目標値より、ある設定値以上小さいと判断された場合には、ガス系圧力がまだ過渡状態にあると判断し、冷却水圧力を昇圧することはせず、現状の値を目標値として設定する(ステップ２０６)。これに対して、検出値が目標値に対し、ある設定値の範囲内でほぼ同じと見なせる場合には、ガス系の圧力が定常状態にあると判断し、ステップ２０７で冷却水圧力目標値を更新し、冷却水圧力を昇圧する。
【００２６】
この実施形態は、特に圧力の応答が遅いシステムにおいて有効である。図６に本実施形態の制御動作例を示す。横軸に経過時間をとり、時間ｔ０で燃料電池の出力(図示せず)を立ち上げるべく、ガスの圧力目標値３０１をステップ的に上昇させ、これに伴いガス圧力検出値３０２が図のように立ち上がった例である。冷却水圧力目標３０３は、ガス圧力検出値３０２が目標値３０１と略同一となった時間Hまでは現在の値を維持し、時間ｔ１以降に冷却水圧力目標値をランプ関数的に更新する。この結果、実冷却水圧力は３０４のような特性を得ることができ、過渡時においてもガス系の圧力より冷却水圧力が上昇する事態を防止することができる。一方、３０５は冷却水流量の目標値であるが、燃料電池の出力上昇に合わせ発熱量も増大するので、実冷却水流量３０６はこれを遅滞なく立ち上げるように構成するのが望ましい。また３０７は圧力調整弁６の動作状態であり、縦軸上方向に開度「大」をとって示してある。実冷却水流量の増大に伴い冷却水圧力が上がり気味になるのを、圧力調整弁６を若干量開いて圧力を目標に合わせるようにしている。
【００２７】
図７に本発明の第３の実施形態を示す。これは前記無駄時間の大きさをガス系圧力検出値の変化率によって変更するようにしたものである。
【００２８】
図８は本実施形態の無駄時間の設定手段１４１の動作手順であり、これは前述したマイクロコンピュータ等からなる制御装置内にて周期的に実行されるプログラムとして設定されている。この制御では、まずステップ２２１で図７のガス圧力変化量演算手段１４２からのガスの時間当たりの変化量を入力する。ステップ２２２でその変化方向を判別し、増加傾向でなければ圧力目標値は新しく設定された値とする。また、増加傾向であった場合にはさらにステップ２２３でガス系の圧力変化量と、ある設定された値とを比較し、変化量がある設定された値より小さく、ガス系の圧力はほぼ一定と見なせる場合には、ステップ２２４で冷却水圧力目標値を更新し、冷却水圧力を昇圧させる。ガス系の圧力変化量がある設定された値以上の場合には、ガス系圧力がまだ過渡状態にあると判断し、冷却水圧力を昇圧することはせず、現状の値を目標値として設定する(ステップ２２６)。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の冷却系統の概略構成図。
【図２】前記第１の実施形態の制御系のブロック図。
【図３】前記第１の実施形態の動作状態を示すタイミング図。
【図４】本発明の第２の実施形態の制御系のブロック図。
【図５】前記第２の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図６】前記第２の実施形態の動作状態を示すタイミング図。
【図７】本発明の第３の実施形態の制御系のブロック図。
【図８】前記第３の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【符号の説明】
１    燃料電池スタック
２    燃料ガス供給系
３    酸化ガス供給系
４    配管
５    冷却水ポンプ
６    圧力調整弁
７    冷却水タンク
８    ラジエータファン（電動ファン）
９    ラジエータ
１０    温度センサ
１１    温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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