(57)【要約】【課題】燃料電池を良好に冷却することができながら、消費電力の低減を図ることができる、燃料電池システムの冷却制御装置を提供する。【解決手段】ＦＣ入口燃料温度センサ３０によって検出される温度とＦＣ出口燃料温度センサ３２によって検出される温度との温度差、つまり燃料供給管２８から燃料入口１２に供給される液体の温度と燃料出口１３から燃料排出管３１に排出される液体の温度との温度差が所定の解除温度以上かつ切替温度以下の範囲内（許容範囲内）に収まるように、ウォータポンプ６６の目標回転数が設定される。そして、その目標回転数に基づいて、ウォータポンプ６６の駆動が制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜／電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池に供給される液体燃料が流通する燃料供給路と、前記燃料電池から排出される液体燃料が流通する燃料排出路と、前記燃料電池を冷却するための冷媒が循環する冷媒循環路と、前記冷媒循環路に介装された冷媒ポンプと、前記冷媒循環路を循環する冷媒の熱を放熱させるラジエータとを備える燃料電池システムの冷却制御装置であって、
前記燃料供給路から前記燃料電池に供給される液体燃料の温度を検出する燃料入口温度検出手段と、
前記燃料電池から前記燃料排出路に排出される液体燃料の温度を検出する燃料出口温度検出手段と、
前記燃料入口温度検出手段によって検出される温度と前記燃料出口温度検出手段によって検出される温度との温度差が所定の許容範囲内に収まるように、前記冷媒ポンプの目標回転数を設定する目標回転数設定手段と、
前記目標回転数設定手段によって設定された目標回転数に基づいて、前記冷媒ポンプの駆動を制御するポンプ制御手段とを含む、燃料電池システムの冷却制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、前記ラジエータに送風するラジエータファンと、前記冷媒循環路に分岐して接続され、前記冷媒循環路を循環する冷媒を前記ラジエータをバイパスさせるバイパス路と、前記冷媒循環路と前記バイパス路との分岐部分に設けられ、前記ラジエータおよび前記バイパス路を経由する冷媒の流量を調整するための三方流量弁とをさらに備え、
前記冷媒循環路から前記燃料電池に流入する冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、
前記燃料電池から前記燃料排出路に排出される液体燃料の目標温度を設定する目標温度設定手段と、
前記目標温度設定手段によって設定される目標温度に対する前記燃料出口温度検出手段によって検出される温度の偏差を演算する偏差演算手段と、
前記偏差演算手段によって演算される偏差に基づいて、前記三方流量弁を制御する三方流量弁制御手段と、
前記偏差演算手段によって演算される偏差が所定値以上のときに、前記ラジエータファンを駆動させ、前記冷媒入口温度検出手段によって検出される温度が所定温度以下のときに、前記ラジエータファンを停止させるラジエータファン制御手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システムの冷却制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池システムは、前記ラジエータに送風するラジエータファンと、前記冷媒循環路に分岐して接続され、前記冷媒循環路を循環する冷媒を前記ラジエータをバイパスさせるバイパス路と、前記冷媒循環路と前記バイパス路との分岐部分に設けられ、前記ラジエータおよび前記バイパス路を経由する冷媒の流量を調整するための三方流量弁とをさらに備え、
前記冷媒循環路から前記燃料電池に流入する冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、
前記燃料電池から前記冷媒循環路に流出する冷媒の温度を検出する冷媒出口温度検出手段と、
前記燃料電池から前記燃料排出路に排出される液体燃料の目標温度を設定する目標温度設定手段と、
前記燃料出口温度検出手段によって検出される温度、前記冷媒入口温度検出手段によって検出される温度、前記冷媒出口温度検出手段によって検出される温度、前記目標温度設定手段によって設定される目標温度、前記燃料供給路を流通する液体燃料の流量、前記冷媒循環路を循環する冷媒の流量および前記燃料電池の熱容量に基づいて、前記三方流量弁および前記ラジエータファンを制御する制御手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システムの冷却制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに適用され、燃料電池の冷却のための冷却系を制御する冷却制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池を電源として搭載する車両の開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードに燃料が供給され、カソードに空気が供給されると、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。
【０００４】
燃料電池の発電時には、燃料電池が発熱するので、燃料電池を冷却する必要がある。そのため、燃料電池システムには、冷却水循環路が設けられており、冷却水循環路を循環する冷却水により、燃料電池が冷却されるようになっている。冷却水循環路の途中部には、冷却水を循環させるためのウォータポンプと、ラジエータファンからの送風で冷却水を冷却するためのラジエータとが介装されている。ラジエータの働きにより、冷却水が冷却され、この冷却された冷却水が燃料電池に供給されることにより、燃料電池が冷却される。
【０００５】
燃料として水素を用いる燃料電池システムにおいて、ウォータポンプおよびラジエータファンの駆動を制御する手法が種々提案されている。
【０００６】
たとえば、特許文献１では、消費電力の低減を図るために、ウォータポンプおよびラジエータファンの消費電力の和が最小となるように、ウォータポンプおよびラジエータファンの各回転速度を制御する手法が提案されている。
【０００７】
また、特許文献２では、燃料電池の出力に基づいて、単位時間あたりの発熱量を予測し、その予測した発熱量に応じた回転速度に基づいて、ウォータポンプを制御する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２８８５１６号公報
【特許文献２】特開２００４−２５３２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、それらの提案に係る手法は、ヒドラジンなどの液体燃料を用いる燃料電池システムに適用することはできない。
【００１０】
液体燃料を用いる燃料電池システムは、水素を用いる燃料電池システムと比較して、液体燃料を含む燃料電池全体の熱容量が大きいので、特許文献１で提案されている手法では、消費電力の低減を図ることができても、冷却水の流量が小さいために、燃料電池の冷却に不足を生じてしまう。
【００１１】
また、液体燃料を用いる燃料電池システムでは、液体燃料がアノードから固体高分子膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリーク（クロスオーバ）が発生する。そのため、燃料電池の出力と発熱量との関係にばらつきが大きく、燃料電池の出力に基づいて、単位時間あたりの発熱量を予測することは困難である。したがって、液体燃料を用いる燃料電池システム、特許文献２で提案されている手法を適用することはできない。
【００１２】
本発明の目的は、燃料電池を良好に冷却することができながら、消費電力の低減を図ることができる、燃料電池システムの冷却制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係る冷却制御装置は、膜／電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池に供給される液体燃料が流通する燃料供給路と、前記燃料電池から排出される液体燃料が流通する燃料排出路と、前記燃料電池を冷却するための冷媒が循環する冷媒循環路と、前記冷媒循環路に介装された冷媒ポンプと、前記冷媒循環路を循環する冷媒の熱を放熱させるラジエータとを備える燃料電池システムに適用される。前記冷却制御装置は、前記燃料供給路から前記燃料電池に供給される液体燃料の温度を検出する燃料入口温度検出手段と、前記燃料電池から前記燃料排出路に排出される液体燃料の温度を検出する燃料出口温度検出手段と、前記燃料入口温度検出手段によって検出される温度と前記燃料出口温度検出手段によって検出される温度との温度差が所定の許容範囲内に収まるように、前記冷媒ポンプの目標回転数を設定する目標回転数設定手段と、前記目標回転数設定手段によって設定された目標回転数に基づいて、前記冷媒ポンプの駆動を制御するポンプ制御手段とを含む。
【００１４】
この構成によれば、燃料供給路から燃料電池に供給される液体燃料の温度である燃料入口温度と燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の温度である燃料出口温度との温度差が求められる。
【００１５】
燃料電池の出力の変化に伴って、燃料電池での発電反応による発熱量が変化するので、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が変化する。すなわち、燃料電池の出力が増加すると、燃料電池での発電反応による発熱量が増加し、その増加に伴って、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が大きくなる。一方、燃料電池の出力が減少すると、燃料電池での発電反応による発熱量が減少し、その減少に伴って、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が小さくなる。
【００１６】
燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が所定の許容範囲内に収まるように、冷媒ポンプの目標回転数が設定される。そして、その目標回転数に基づいて、冷媒ポンプの駆動が制御される。
【００１７】
これにより、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が相対的に大きいときには、目標回転数が相対的に大きい値に設定され、冷媒ポンプがその目標回転数で駆動される。その結果、冷媒が燃料電池の冷却に十分な流量で冷媒循環路を流通するので、燃料電池を良好に冷却することができる。
【００１８】
一方、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が相対的に小さいときには、目標回転数が相対的に小さい値に設定され、冷媒ポンプがその目標回転数で駆動される。その結果、冷媒ポンプの消費電力が低く抑えられる。
【００１９】
燃料電池システムは、ラジエータに送風するラジエータファンと、冷媒循環路に分岐して接続され、冷媒循環路を循環する冷媒を前記ラジエータをバイパスさせるバイパス路と、前記冷媒循環路と前記バイパス路との分岐部分に設けられ、前記ラジエータおよび前記バイパス路を経由する冷媒の流量を調整するための三方流量弁とをさらに備えていてもよい。
【００２０】
この場合、冷却制御装置は、冷媒循環路から燃料電池に流入する冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の目標温度を設定する目標温度設定手段と、目標温度設定手段によって設定される目標温度に対する燃料出口温度検出手段によって検出される温度の偏差を演算する偏差演算手段と、偏差演算手段によって演算される偏差に基づいて、三方流量弁を制御する三方流量弁制御手段と、偏差演算手段によって演算される偏差が所定値以上のときに、ラジエータファンを駆動させ、冷媒入口温度検出手段によって検出される温度が所定温度以下のときに、ラジエータファンを停止させるラジエータファン制御手段とをさらに含む構成であってもよい。
【００２１】
この構成によれば、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の目標温度に対する実温度の偏差に基づいて、具体的には、その偏差が０に近づくように、三方流量弁が制御される。この三方流量弁の制御により、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の温度が目標温度に近づく。
【００２２】
燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の温度は、燃料電池の膜／電極接合体に含まれる固体高分子膜（反応膜）の温度とほぼ同じである。そのため、三方流量弁の制御により、固体高分子膜の温度を目標温度に近づけることができる。その結果、燃料電池における発電効率を向上させることができる。
【００２３】
また、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の目標温度に対する実温度の偏差が所定値以上のときには、ラジエータファンが駆動されて、ラジエータにラジエータファンからの送風が供給される。
【００２４】
これにより、冷媒循環路を循環する冷媒の温度を下げることができ、燃料電池を良好に冷却することができる。その結果、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の温度を目標温度に良好に近づけることができる。
【００２５】
ラジエータファンの駆動後、燃料電池から冷媒循環路に流出する冷媒の温度の低下を確認したうえで、ラジエータファンの駆動を停止した場合、その後に燃料電池に流入する冷媒により、燃料電池が過冷却されるおそれがある。
【００２６】
そこで、冷媒循環路から燃料電池に流入する冷媒の温度が所定温度以下に低下すると、ラジエータファンの駆動が停止されることが好ましい。
【００２７】
これにより、燃料電池の過冷却を防止できる。また、ラジエータファンによる消費電力を低減することができる。ラジエータファンが停止された時点で、冷媒の温度が所定温度以下に低下しているので、ラジエータファンの停止後に、その温度が低下した冷媒で燃料電池が冷却されることにより、燃料電池の冷却不足を生じるおそれはない。
【００２８】
また、冷却制御装置は、冷媒循環路から前記燃料電池に流入する冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、前記燃料電池から前記冷媒循環路に流出する冷媒の温度を検出する冷媒出口温度検出手段と、前記燃料電池から前記燃料排出路に排出される液体燃料の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記燃料出口温度検出手段によって検出される温度、前記冷媒入口温度検出手段によって検出される温度、前記冷媒出口温度検出手段によって検出される温度、前記目標温度設定手段によって設定される目標温度、前記燃料供給路を流通する液体燃料の流量、前記冷媒循環路を循環する冷媒の流量および前記燃料電池の熱容量に基づいて、前記三方流量弁および前記ラジエータファンを制御する制御手段とをさらに含む構成であってもよい。
【００２９】
この構成によれば、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の実際の温度および目標温度、冷媒循環路から燃料電池に流入する冷媒の温度、燃料電池から冷媒循環路に流出する冷媒の温度、燃料供給路を流通する液体燃料の流量、冷媒循環路を循環する冷媒の流量および燃料電池の熱容量に基づいて、三方流量弁およびラジエータファンが制御される。
【００３０】
具体的には、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の実際の温度および目標温度、冷媒循環路から燃料電池に流入する冷媒の温度、燃料電池から冷媒循環路に流出する冷媒の温度、燃料供給路を流通する液体燃料の流量、冷媒循環路を循環する冷媒の流量および燃料電池の熱容量に基づいて、燃料電池の冷却に必要な冷却熱量を算出することができるので、その冷却熱量が得られるように、三方流量弁およびラジエータファンが制御される。
【００３１】
これにより、燃料電池を良好に冷却して、燃料電池から燃料排出路に排出される液体燃料の温度、つまり燃料電池の膜／電極接合体に含まれる固体高分子膜（反応膜）の温度を目標温度に近づけることができる。その結果、燃料電池における発電効率を向上させることができる。また、燃料電池の冷却に必要な冷却熱量が小さいときには、ラジエータファンの駆動が抑制されるので、消費電力が低減する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、燃料電池を良好に冷却することができながら、消費電力の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る冷却制御装置が適用される燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。
【図３】図３は、ウォータポンプ制御に用いられるマップの内容を示す図である。
【図４】図４は、三方流量弁制御のための構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、三方流量弁の各出口ポートの開度の設定に用いられるマップの内容を示す図である。
【図６】図６は、ラジエータファン制御のための構成を示すブロック図である。
【図７】図７は、ラジエータファン制御におけるセット信号のレベル変化を示す図である。
【図８】図８は、ラジエータファン制御におけるリセット信号のレベル変化を示す図である。
【図９】図９は、他の三方流量弁制御およびラジエータファン制御のための構成を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、三方流量弁の各出口ポートの開度の設定に用いられるマップの内容、ならびにラジエータファン制御におけるセット信号およびリセット信号のレベル変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３５】
＜システム構成＞
【００３６】
図１は、本発明の一実施形態に係る冷却制御装置が適用される燃料電池システムの構成図である。
【００３７】
燃料電池システム１は、液体燃料を用いる燃料電池システム（ＦＣシステム）であり、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。
【００３８】
燃料電池システム１は、燃料電池１１を備えている。
【００３９】
燃料電池１１は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。
【００４０】
膜／電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する。
【００４１】
セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。膜／電極接合体のアノードに対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口１２および燃料出口１３に接続されている。膜／電極接合体のカソードに対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口１４およびエア出口１５に接続されている。また、各セル間では、一方のセルのセパレータに形成された凹溝と他方のセルのセパレータに形成された凹溝とが重なり合い、それらの凹溝が冷却水流路を形成している。冷却水流路の一端および他端は、それぞれ冷却水入口１６および冷却水出口１７に接続されている。
【００４２】
また、燃料電池システム１は、燃料循環システムを備えている。
【００４３】
燃料循環システムには、第１燃料タンク２１、第２燃料タンク２２および燃料サブタンク２３が含まれる。
【００４４】
第１燃料タンク２１には、液体燃料として、たとえば、常温のヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）が貯留されている。第１燃料タンク２１には、第１燃料補給管２４の一端が接続されている。第１燃料補給管２４の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第１燃料補給管２４の途中部には、第１燃料供給ポンプ２５が介装されている。
【００４５】
第２燃料タンク２２には、電解液として、たとえば、常温の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が貯留されている。第２燃料タンク２２には、第２燃料補給管２６の一端が接続されている。第２燃料補給管２６の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第２燃料補給管２６の途中部には、第２燃料供給ポンプ２７が介装されている。
【００４６】
燃料サブタンク２３には、電解液に混合された液体燃料、たとえば、水酸化カリウム水溶液に混合されたヒドラジンが貯留されている。燃料サブタンク２３には、燃料供給管２８の一端が接続されている。燃料供給管２８の他端は、燃料電池１１の燃料入口１２に接続されている。燃料供給管２８の途中部には、燃料循環ポンプ２９が介装されている。また、燃料供給管２８には、燃料入口１２と燃料循環ポンプ２９との間に、燃料供給管２８から燃料入口１２に流入する液体の温度を検出するＦＣ入口燃料温度センサ３０が設けられている。
【００４７】
燃料電池１１の燃料出口１３には、燃料排出管３１の一端が接続されている。燃料排出管３１の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。燃料排出管３１には、燃料出口１３から燃料排出管３１に流出した液体の温度を検出するＦＣ出口燃料温度センサ３２が設けられている。
【００４８】
燃料電池システム１は、給気システムを備えている。
【００４９】
給気システムには、コンプレッサ４１が含まれる。燃料電池１１のエア入口１４には、エア供給管４２の一端が接続されている。コンプレッサ４１は、エア供給管４２の他端に接続されている。
【００５０】
燃料電池システム１は、排気処理システムを備えている。
【００５１】
排気処理システムには、排気処理器５１が含まれる。燃料電池１１のエア出口１５には、エア排出管５２の一端が接続されている。排気処理器５１は、エア排出管５２の途中部に介装されている。
【００５２】
燃料電池システム１は、冷却システムを備えている。
【００５３】
冷却システムには、冷却水供給管６１、冷却水排出管６２、ラジエータ６３およびラジエータファン６４が含まれる。
【００５４】
冷却水供給管６１の一端は、ラジエータ６３に接続されている。冷却水供給管６１の他端は、燃料電池１１の冷却水入口１６に接続されている。冷却水供給管６１の途中部には、三方流量弁６５およびウォータポンプ６６がラジエータ６３側からこの順に介装されている。また、冷却水供給管６１には、冷却水供給管６１を流通する冷却水の温度を検出するＦＣ入口水温センサ６７が設けられている。
【００５５】
冷却水排出管６２の一端は、燃料電池１１の冷却水出口１７に接続されている。冷却水排出管６２の他端は、ラジエータ６３に接続されている。冷却水排出管６２の途中部には、バイパス管６８が分岐して接続されている。バイパス管６８の先端は、三方流量弁６５に接続されている。また、冷却水排出管６２には、冷却水排出管６２を流通する冷却水の温度を検出するＦＣ出口水温センサ６９が設けられている。
【００５６】
＜発電動作＞
【００５７】
燃料電池１１による発電のために、燃料循環ポンプ２９が駆動される。燃料循環ポンプ２９が駆動されると、燃料サブタンク２３に貯留されている液体燃料を含む液体が燃料供給管２８に吸い出される。そして、燃料供給管２８を液体が流通し、その液体が燃料電池１１の燃料入口１２から燃料電池１１の燃料流路に供給される。燃料流路を流通した液体は、燃料出口１３から燃料排出管３１に排出され、燃料排出管３１を通して燃料サブタンク２３に戻される。
【００５８】
こうして、液体燃料を含む液体は、燃料サブタンク２３、燃料供給管２８、燃料電池１１の燃料流路および燃料排出管３１を含む燃料循環路を循環する。
【００５９】
一方、燃料電池１１による発電のために、コンプレッサ４１が駆動される。コンプレッサ４１が駆動されることにより、エア供給管４２にエア（大気）が送り込まれる。そして、エア供給管４２をエアが流通し、そのエアが燃料電池１１のエア入口１４から燃料電池１１のエア流路に供給される。エア流路を流通したエアは、エア出口１５からエア排出管５２に流出し、排気処理器５１を経由して、大気に放出される。エアが排気処理器５１を経由することにより、エアから有害物質などが除去される。
【００６０】
燃料電池１１の燃料流路を液体燃料を含む液体が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池１１において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。
【００６１】
具体的には、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料出口１３を通して燃料排出管３１に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。
【００６２】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００６３】
この結果、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。
【００６４】
＜燃料補給動作＞
【００６５】
燃料電池システム１の稼働中に、燃料サブタンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、第１燃料供給ポンプ２５および／または第２燃料供給ポンプ２７が駆動される。
【００６６】
第１燃料供給ポンプ２５が駆動されると、第１燃料タンク２１から第１燃料補給管２４に液体燃料（ヒドラジン）が汲み出される。そして、その液体燃料が第１燃料補給管２４を通して燃料サブタンク２３に供給される。
【００６７】
第２燃料供給ポンプ２７が駆動されると、第２燃料タンク２２から第２燃料補給管２６に電解液（水酸化カリウム水溶液）が汲み出される。そして、その電解液が第２燃料補給管２６を通して燃料サブタンク２３に供給される。
【００６８】
＜冷却動作＞
【００６９】
冷却水供給管６１および冷却水排出管６２内には、冷却水が封入されている。
【００７０】
燃料電池１１の発電時には、ウォータポンプ６６が駆動される。ウォータポンプ６６が駆動されると、冷却水が冷却水供給管６１を燃料電池１１の冷却水入口１６に向けて流通する。冷却水供給管６１を流通する冷却水は、冷却水入口１６を通して、燃料電池１１に供給される。
【００７１】
燃料電池１１に供給される冷却水は、冷却水流路を流通し、冷却水出口１７を通して、冷却水排出管６２に流出する。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池１１が冷却される。
【００７２】
冷却水排出管６２に流出した冷却水は、冷却水排出管６２をラジエータ６３に向けて流通する。三方流量弁６５に設けられたバイパス管６８の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管６２を流通する冷却水は、ラジエータ６３を通過して、冷却水供給管６１に戻る。ラジエータ６３を通過する冷却水は、走行風および／またはラジエータファン６４からの送風によって冷却される。一方、バイパス管６８の接続ポートが開かれているときには、冷却水排出管６２を流通する冷却水は、ラジエータ６３をバイパスして、バイパス管６８を流れ、冷却水供給管６１に戻る。
【００７３】
こうして、冷却水は、冷却水供給管６１，燃料電池１１の冷却水流路および冷却水排出管６２と、ラジエータ６３およびバイパス管６８の一方または両方とを含む燃料循環路を循環する。
【００７４】
＜電気的構成＞
【００７５】
図２は、燃料電池システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。
【００７６】
燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成のＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）７１を備えている。
【００７７】
ＦＣ−ＥＣＵ７１には、ＦＣ入口燃料温度センサ３０、ＦＣ出口燃料温度センサ３２、ＦＣ入口水温センサ６７およびＦＣ出口水温センサ６９が接続されている。
【００７８】
ＦＣ−ＥＣＵ７１は、メモリに格納されたプログラムに従い、各種センサから入力される信号に基づいて、第１燃料供給ポンプ２５、第２燃料供給ポンプ２７、燃料循環ポンプ２９、コンプレッサ４１、ラジエータファン６４およびウォータポンプ６６の駆動を制御し、三方流量弁６５の各出口ポートの開度を制御する。
【００７９】
＜ウォータポンプ制御＞
【００８０】
図３は、ウォータポンプ制御に用いられるマップの内容を示す図である。
【００８１】
燃料電池システム１の発電動作中、ＦＣ−ＥＣＵ７１により、ＦＣ入口燃料温度センサ３０によって検出される温度とＦＣ出口燃料温度センサ３２によって検出される温度との温度差、つまり燃料供給管２８から燃料入口１２に供給される液体の温度（以下、「燃料入口温度」という。）と燃料出口１３から燃料排出管３１に排出される液体の温度（以下、「燃料出口温度」という。）との温度差が監視されている。そして、その温度差に応じて、ウォータポンプ６６の回転数が通常回転数と通常回転数よりも大きい高回転数とに切り替えられる。
【００８２】
具体的には、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が所定の切替温度以上に開くまでは、ウォータポンプ６６の目標回転数が通常回転数に保たれ、ウォータポンプ６６が通常回転数で回転するように制御される。
【００８３】
発電動作が続き、燃料電池１１での発電反応による発熱が生じ、燃料電池１１内の温度が上昇すると、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が拡大する。そして、その温度差が切替温度に達すると、ウォータポンプ６６の目標回転数が通常回転数から通常回転数よりも大きい高回転数に切り替えられ、ウォータポンプ６６が高回転数で回転するように制御される。これにより、燃料電池１１の冷却水流路を流通する冷却水の水量が増加し、燃料電池１１を冷却する能力が増大する。
【００８４】
ウォータポンプ６６の目標回転数が通常回転数から高回転数に切り替えられた後、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が切替温度よりも低い解除温度まで小さくなると、ウォータポンプ６６の目標回転数が高回転数から通常回転数に戻されて、ウォータポンプ６６が通常回転数で回転するように制御される。これにより、燃料電池１１の冷却水流路を流通する冷却水の水量が減少し、燃料電池１１を冷却する能力が低下する。
【００８５】
＜ウォータポンプ制御による作用効果＞
【００８６】
このように、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が解除温度以上かつ切替温度以下の範囲内（許容範囲内）に収まるように、ウォータポンプ６６の目標回転数が設定される。そして、その目標回転数に基づいて、ウォータポンプ６６の駆動が制御される。
【００８７】
これにより、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が相対的に大きいときには、目標回転数が相対的に大きい高回転数に設定され、ウォータポンプ６６がその目標回転数で駆動される。その結果、冷却水が燃料電池１１の冷却に十分な流量で燃料電池１１の冷却水流路を流通するので、燃料電池１１を良好に冷却することができる。
【００８８】
一方、燃料入口温度と燃料出口温度との温度差が相対的に小さいときには、ウォータポンプ６６の目標回転数が相対的に小さい通常回転数に設定され、ウォータポンプ６６がその目標回転数で駆動される。その結果、ウォータポンプ６６の消費電力が低く抑えられる。
【００８９】
＜三方流量弁制御＞
【００９０】
図４は、三方流量弁制御のための構成を示すブロック図である。
【００９１】
燃料電池システム１の発電動作中、ＦＣ−ＥＣＵ７１により、燃料出口温度が監視されている。また、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられる目標温度設定部７２により、燃料循環ポンプ２９およびコンプレッサ４１の能力（回転数）などに基づいて、燃料電池１１が効率よく発電可能な燃料電池１１の反応膜（膜／電極接合体に含まれる固体高分子膜）の温度が求められ、燃料出口温度の目標温度がその温度に設定される。そして、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられる減算器７３により、燃料出口温度の目標温度に対する実温度（ＦＣ出口燃料温度センサ３２によって検出される温度）の偏差が求められる。つづいて、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられる三方弁開度設定部７４により、その偏差に基づいて、三方流量弁６５の各出口ポートの開度が設定される。三方流量弁６５は、各出口ポートがその設定された開度となるように制御される。
【００９２】
図５は、三方流量弁の各出口ポートの開度の設定に用いられるマップの内容を示す図である。
【００９３】
燃料出口温度の目標温度に対する実温度の偏差が所定の負の下限値未満であるときには、三方流量弁６５に設けられたバイパス管６８の接続ポート（以下、「バイパス側出口ポート」という。）の開度が全開に設定され、三方流量弁６５に設けられたラジエータ６３の接続ポート（以下、「ラジエータ側出口ポート」という。）の開度が全閉に設定される。
【００９４】
これにより、冷却水排出管６２を流通する冷却水はすべて、ラジエータ６３をバイパスして、バイパス管６８を流れ、冷却水供給管６１に戻る。
【００９５】
燃料出口温度の目標温度と実温度との偏差が下限値以上かつ０未満の範囲内であるときには、偏差が０に近づくにつれ、バイパス側出口ポートの開度が小さくなり、ラジエータ側出口ポートの開度が大きくなるように、バイパス側出口ポートおよびラジエータ側出口ポートの開度が設定される。偏差が０であるときには、バイパス側出口ポートの開度とラジエータ側出口ポートの開度とが同じに設定される。
【００９６】
これにより、冷却水排出管６２を流通する冷却水の一部がラジエータ６３を経由し、その残りがバイパス管６８を流通する。そして、燃料出口温度の目標温度と実温度との偏差が０に近づくにつれ、ラジエータ６３を経由する冷却水の流量が増加し、バイパス管６８を流通する冷却水の流量が減少する。
【００９７】
燃料出口温度の目標温度と実温度との偏差が０以上かつ所定の上限値未満の範囲内であるときには、偏差が上限値に近づくにつれ、バイパス側出口ポートの開度が小さくなり、ラジエータ側出口ポートの開度が大きくなるように、バイパス側出口ポートおよびラジエータ側出口ポートの開度が設定される。
【００９８】
これにより、燃料出口温度の目標温度と実温度との偏差が上限値に近づくにつれ、ラジエータ６３を経由する冷却水の流量が増加し、バイパス管６８を流通する冷却水の流量が減少する。
【００９９】
燃料出口温度の目標温度に対する実温度の偏差が上限値以上であるときには、バイパス側出口ポートの開度が全閉に設定され、ラジエータ側出口ポートの開度が全開設定される。
【０１００】
これにより、冷却水排出管６２を流通する冷却水はすべて、ラジエータ６３を経由して、冷却水供給管６１に戻る。
【０１０１】
＜三方流量弁制御による作用効果＞
【０１０２】
このように、燃料出口温度の目標温度に対する実温度の偏差に基づいて、その偏差が０に近づくように、三方流量弁のバイパス側出口ポートおよびラジエータ側出口ポートの各開度が制御される。この制御により、燃料出口温度の実温度が目標温度に近づく。
【０１０３】
燃料出口温度は、燃料電池１１の膜／電極接合体に含まれる固体高分子膜（反応膜）の温度とほぼ同じである。そのため、三方流量弁制御により、固体高分子膜の温度を目標温度に近づけることができる。その結果、燃料電池１１における発電効率を向上させることができる。
【０１０４】
＜ラジエータファン制御＞
【０１０５】
図６は、ラジエータファン制御のための構成を示すブロック図である。図７は、ラジエータファン制御におけるセット信号のレベル変化を示す図である。図８は、ラジエータファン制御におけるリセット信号のレベル変化を示す図である。
【０１０６】
燃料電池システム１の発電動作中、ＦＣ−ＥＣＵ７１により、燃料出口温度が監視されている。また、目標温度設定部７２により、燃料出口温度の目標温度が設定される。そして、減算器７３により、燃料出口温度の目標温度に対する実温度（ＦＣ出口燃料温度センサ３２によって検出される温度）の偏差が求められる。その求められた偏差がＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられるセット信号出力部７５に入力されると、セット信号出力部７５から偏差に応じたレベルのセット信号が出力される。
【０１０７】
具体的には、図７に示されるように、偏差が所定値未満であるときには、レベルが０であるセット信号が出力される（ＯＦＦ）。偏差が所定値以上であるときには、レベルが１であるセット信号が出力される（ＯＮ）。
【０１０８】
また、燃料電池システム１の発電動作中、ＦＣ−ＥＣＵ７１により、ＦＣ入口水温センサ６７によって検出される温度、つまり冷却水供給管６１を流通する冷却水の温度を検出する冷却水の温度（以下、「冷却水入口温度」という。）が監視されている。そして、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられるリセット信号出力部７６から、冷却水入口温度に応じたレベルのリセット信号が出力される。
【０１０９】
具体的には、図８に示されるように、冷却水入口温度が所定温度以下であるときには、レベルが１であるセット信号が出力される（ＯＮ）。冷却水入口温度が所定温度よりも大きいときには、レベルが０であるセット信号が出力される（ＯＦＦ）。
【０１１０】
セット信号出力部７５から出力されるセット信号およびリセット信号出力部７６から出力されるリセット信号は、それぞれＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられるＲＳフリップフロップ回路７７のセット端子Ｓおよびリセット端子Ｒに入力される。そして、ＲＳフリップフロップ回路７７の出力端子Ｑから出力される信号（以下、「出力信号」という。）がラジエータファン６４のオン指令信号とされ、このオン指令信号のレベルに応じて、ラジエータファン６４が駆動／停止される。
【０１１１】
セット信号およびリセット信号の各レベルが０であるとき、出力信号のレベルが保持される。すなわち、セット信号およびリセット信号の各レベルが０であるとき、出力信号のレベルは、０であれば０に保持され、１であれば１に保持される。
【０１１２】
セット信号のレベルが０から１に切り替わると、つまり燃料出口温度の目標温度に対する実温度の偏差が所定値以上になると、出力信号のレベルが０から１に切り替わる。これに応答して、ラジエータファン６４が駆動される。
【０１１３】
リセット信号のレベルが０から１に切り替わると、つまり冷却水入口温度が所定温度以下に低下すると、出力信号のレベルが１から０に切り替わる。これに応答して、ラジエータファン６４の駆動が停止される。
【０１１４】
＜ラジエータファン制御の作用効果＞
【０１１５】
燃料出口温度の目標温度に対する実温度の偏差が所定値以上のときには、ラジエータファン６４が駆動されて、ラジエータ６３にラジエータファン６４からの送風が供給される。
【０１１６】
これにより、冷却水供給管６１を流通する冷却水の温度を下げることができ、燃料電池１１を良好に冷却することができる。その結果、燃料電池１１から燃料排出管３１に排出される液体（液体燃料）の温度を目標温度に良好に近づけることができる。
【０１１７】
ラジエータファン６４の駆動後、燃料電池１１から冷却水排出管６２に流出する冷却水の温度の低下を確認したうえで、ラジエータファン６４の駆動を停止した場合、その後に燃料電池１１に流入する冷却水により、燃料電池１１が過冷却されるおそれがある。
【０１１８】
そこで、冷却水入口温度が所定温度以下に低下すると、ラジエータファン６４の駆動が停止される。
【０１１９】
これにより、燃料電池１１の過冷却を防止できる。また、ラジエータファン６４による消費電力を低減することができる。ラジエータファン６４が停止された時点で、冷却水入口温度が所定温度以下に低下しているので、ラジエータファン６４の停止後に、その温度が低下した冷却水で燃料電池１１が冷却されることにより、燃料電池１１の冷却不足を生じるおそれはない。
【０１２０】
＜他の三方弁開度制御およびラジエータファン制御＞
【０１２１】
図９は、他の三方流量弁制御およびラジエータファン制御のための構成を示すブロック図である。図１０は、三方流量弁の各出口ポートの開度の設定に用いられるマップの内容、ならびにラジエータファン制御におけるセット信号およびリセット信号のレベル変化を示す図である。
【０１２２】
前述の三方弁開度制御およびラジエータファン制御に代えて、次に説明する三方弁開度制御およびラジエータファン制御が実行されてもよい。
【０１２３】
燃料電池システム１の発電動作中、三方弁開度制御およびラジエータファン制御のために、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられる合計冷却熱量算出部８１により、燃料電池１１を冷却すべき熱量の合計である合計冷却熱量が算出される。
【０１２４】
具体的には、冷却水入口温度とＦＣ出口水温センサ６９によって検出される温度、つまり燃料電池１１から冷却水排出管６２に流出する冷却水の温度（以下、「冷却水出口温度」という。）との温度差に、冷却水供給管６１を流通する冷却水の流量、冷却水の比重および冷却水の比熱が乗じられることにより、現時点で冷却水供給管６１を流通する冷却水が有する熱量である冷却水冷却熱量が算出される。冷却水供給管６１を流通する冷却水の流量は、たとえば、ウォータポンプ６６の回転数に基づいて求められる。
【０１２５】
また、燃料出口温度の目標温度と実温度との温度差に、燃料排出管３１を流通する液体（液体燃料）の流量、比重および比熱が乗じられることにより、燃料排出管３１を流通する液体を冷却すべき熱量である液体冷却熱量が算出される。燃料排出管３１を流通する液体の流量は、たとえば、燃料循環ポンプ２９の回転数に基づいて求められる。
【０１２６】
さらに、燃料出口温度の目標温度と実温度との温度差に、燃料電池１１の熱量用が乗じられることにより、燃料電池１１を冷却すべき熱量である燃料電池冷却熱量が算出される。
【０１２７】
そして、冷却水冷却熱量、液体冷却熱量および燃料電池冷却熱量が足し合わされることにより、合計冷却熱量が算出される。
【０１２８】
合計冷却熱量算出部８１により、合計冷却熱量が算出されると、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられる三方弁開度設定部８２により、その合計冷却熱量に基づいて、三方流量弁６５の各出口ポートの開度が設定される。三方流量弁６５は、各出口ポートがその設定された開度となるように制御される。
【０１２９】
具体的には、図１０に示されるように、合計冷却熱量が０未満であるときには、バイパス側出口ポートの開度が全開に設定され、ラジエータ側出口ポートの開度が全閉に設定される。
【０１３０】
これにより、冷却水排出管６２を流通する冷却水はすべて、ラジエータ６３をバイパスして、バイパス管６８を流れ、冷却水供給管６１に戻る。
【０１３１】
合計冷却熱量が０以上かつ所定の第１熱量未満の範囲内であるときには、合計冷却熱量が第１熱量に近づくにつれ、バイパス側出口ポートの開度が小さくなり、ラジエータ側出口ポートの開度が大きくなるように、バイパス側出口ポートおよびラジエータ側出口ポートの開度が設定される。
【０１３２】
これにより、冷却水排出管６２を流通する冷却水の一部がラジエータ６３を経由し、その残りがバイパス管６８を流通する。そして、合計冷却熱量が第１熱量に近づくにつれ、ラジエータ６３を経由する冷却水の流量が増加し、バイパス管６８を流通する冷却水の流量が減少する。
【０１３３】
合計冷却熱量が第１熱量以上かつ所定の第２熱量未満の範囲内であるときには、合計冷却熱量が第２熱量に近づくにつれ、バイパス側出口ポートの開度が小さくなり、ラジエータ側出口ポートの開度が大きくなるように、バイパス側出口ポートおよびラジエータ側出口ポートの開度が設定される。また、合計冷却熱量が第２熱量よりも小さな第３熱量に達するまでは、合計冷却熱量が０以上かつ所定の第１熱量未満の範囲内であるときよりも、合計冷却熱量の上昇に対する開度の変更の度合いが小さく、合計冷却熱量が第３熱量を超えると、合計冷却熱量が０以上かつ所定の第１熱量未満の範囲内であるときと、合計冷却熱量の上昇に対する開度の変更の度合いが同じになるように、バイパス側出口ポートおよびラジエータ側出口ポートの開度が設定される。
【０１３４】
合計冷却熱量が第２熱量に近づくにつれ、ラジエータ６３を経由する冷却水の流量がさらに増加し、バイパス管６８を流通する冷却水の流量がさらに減少する。
【０１３５】
合計冷却熱量が第２熱量以上であるときには、バイパス側出口ポートの開度が全閉に設定され、ラジエータ側出口ポートの開度が全開設定される。
【０１３６】
これにより、冷却水排出管６２を流通する冷却水はすべて、ラジエータ６３を経由して、冷却水供給管６１に戻る。
【０１３７】
また、合計冷却熱量算出部８１によって算出される合計冷却熱量は、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられるセット信号出力部８３に入力される。セット信号出力部８３に合計冷却熱量が入力されると、セット信号出力部８３から合計冷却熱量に応じたレベルのセット信号が出力される。
【０１３８】
具体的には、図１０に示されるように、合計冷却熱量が第１熱量未満であるときには、レベルが０であるセット信号が出力される（ＯＦＦ）。合計冷却熱量が第１熱量以上であるときには、レベルが１であるセット信号が出力される（ＯＮ）。
【０１３９】
また、合計冷却熱量算出部８１によって算出される合計冷却熱量は、ＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられるリセット信号出力部８４に入力される。リセット信号出力部８４に合計冷却熱量が入力されると、リセット信号出力部８４から合計冷却熱量に応じたレベルのリセット信号が出力される。
【０１４０】
具体的には、図１０に示されるように、冷合計冷却熱量が第１熱量よりも小さい第４熱量以下であるときには、レベルが１であるセット信号が出力される（ＯＮ）。合計冷却熱量が第４熱量よりも大きいときには、レベルが０であるセット信号が出力される（ＯＦＦ）。
【０１４１】
セット信号出力部８３から出力されるセット信号およびリセット信号出力部８４から出力されるリセット信号は、それぞれＦＣ−ＥＣＵ７１に備えられるＲＳフリップフロップ回路８５のセット端子Ｓおよびリセット端子Ｒに入力される。そして、ＲＳフリップフロップ回路８５の出力端子Ｑから出力される信号（以下、「出力信号」という。）がラジエータファン６４のオン指令信号とされ、このオン指令信号のレベルに応じて、ラジエータファン６４が駆動／停止される。
【０１４２】
セット信号およびリセット信号の各レベルが０であるとき、出力信号のレベルが保持される。すなわち、セット信号およびリセット信号の各レベルが０であるとき、出力信号のレベルは、０であれば０に保持され、１であれば１に保持される。
【０１４３】
セット信号のレベルが０から１に切り替わると、つまり燃料出口温度の目標温度に対する実温度の偏差が所定値以上になると、出力信号のレベルが０から１に切り替わる。これに応答して、ラジエータファン６４が駆動される。
【０１４４】
リセット信号のレベルが０から１に切り替わると、つまり冷却水入口温度が所定温度以下に低下すると、出力信号のレベルが１から０に切り替わる。これに応答して、ラジエータファン６４の駆動が停止される。
【０１４５】
＜他の三方弁開度制御およびラジエータファン制御による作用効果＞
【０１４６】
この三方弁開度制御およびラジエータファン制御により、合計冷却熱量が得られるように、三方流量弁６５のバイパス側出口ポートおよびラジエータ側出口ポートの開度が制御されるとともに、ラジエータファン６４の駆動が制御される。その結果、燃料電池１１を良好に冷却して、燃料電池１１から燃料出口温度、つまり燃料電池１１の膜／電極接合体に含まれる固体高分子膜（反応膜）の温度を目標温度に近づけることができる。その結果、燃料電池１１における発電効率を向上させることができる。また、燃料電池１１の冷却に必要な冷却熱量が小さいときには、ラジエータファン６４の駆動が抑制されるので、消費電力が低減する。
【０１４７】
＜変形例＞
【０１４８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。また、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【０１４９】
１    燃料電池システム
１１  燃料電池
２８  燃料供給管（燃料供給路）
３０  ＦＣ入口燃料温度センサ（燃料入口温度検出手段）
３１  燃料排出管
３２  ＦＣ出口燃料温度センサ（燃料出口温度検出手段）
６１  冷却水供給管（冷媒循環路）
６２  冷却水排出管（冷媒循環路）
６３  ラジエータ
６４  ラジエータファン
６５  三方流量弁
６６  ウォータポンプ（冷媒ポンプ）
６７  ＦＣ入口水温センサ（冷媒入口温度検出手段）
６８  バイパス管（バイパス路）
６９  ＦＣ出口水温センサ（冷媒出口温度検出手段）
７１  ＦＣ−ＥＣＵ
７２  目標温度設定部（目標温度設定手段）
７３  減算器（偏差演算手段）
７４  三方弁開度設定部（三方流量弁制御手段）
７５  セット信号出力部（ラジエータファン制御手段）
７６  リセット信号出力部（ラジエータファン制御手段）
７７  ＲＳフリップフロップ回路（ラジエータファン制御手段）
８１  合計冷却熱量算出部（制御手段）
８２  三方弁開度設定部（制御手段）
８３  セット信号出力部（制御手段）
８４  リセット信号出力部（制御手段）
８５  ＲＳフリップフロップ回路（制御手段）
【図１】
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【図２】
2014072092.tif 000004
【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】
2014072092.tif 000009
【図８】
2014072092.tif 000010
【図９】
2014072092.tif 000011
【図１０】
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