(57)【要約】【課題】燃料電池システムの冷却系における冷媒の漏洩を検出する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、冷媒ポンプと、冷媒ポンプの回転数取得部と、冷媒ポンプの消費電力を取得する消費電力取得部と、回転数取得部によって取得された回転数を受けて冷媒ポンプを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、冷媒ポンプの回転数と消費電力閾値との間の予め定められた対応関係を記憶しており、冷媒ポンプを一定回転数で回転させる定回転数制御を実行しながら、冷媒の漏洩の有無を判定する冷媒漏洩判定処理を実行し、冷媒漏洩判定処理において、回転数取得部によって取得された回転数値を用いて対応関係を参照することによって回転数値に対応する消費電力閾値を決定し、消費電力取得部によって取得された消費電力値が、回転数値に対応する消費電力閾値以下である場合に、冷媒が漏洩していると判定する。【選択図】図２
2018014236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に冷媒を流通させる冷媒ポンプを有する冷却系と、
前記冷媒ポンプの回転数を取得する回転数取得部と、
前記冷媒ポンプの消費電力を取得する消費電力取得部と、
前記回転数取得部によって取得された回転数を受けて前記冷媒ポンプを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記冷媒ポンプの回転数と消費電力閾値との間の予め定められた対応関係を記憶しており、
前記冷媒ポンプを一定回転数で回転させる定回転数制御を実行しながら、前記冷媒の漏洩の有無を判定する冷媒漏洩判定処理を実行し、
前記冷媒漏洩判定処理において、前記回転数取得部によって取得された回転数値を用いて前記対応関係を参照することによって前記回転数値に対応する消費電力閾値を決定し、前記消費電力取得部によって取得された消費電力値が、前記回転数値に対応する前記消費電力閾値以下である場合に、前記冷媒が漏洩していると判定する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記回転数値が予め定められた回転数閾値未満である場合に、前記冷媒ポンプの回転数を前記回転数閾値以上に増加させてから、前記冷媒漏洩判定処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
前記燃料電池の冷媒出口における前記冷媒の温度を測定する出口温度センサを備え、
前記制御装置は、
前記出口温度センサによって測定された冷媒温度が、前記冷媒の漏洩により生じ得るものとして予め設定された昇温異常条件を満足するか否かを判定し、
前記昇温異常条件を満足し、かつ、前記回転数値が前記回転数閾値未満である場合に、前記冷媒ポンプの回転数を前記回転数閾値以上に増加させてから、前記冷媒漏洩判定処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの始動時において前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を初期冷媒温度値として取得し、その後、前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記冷媒出口における前記冷媒の温度推定値を算出すると共に、前記温度推定値が予め定められた判定開始閾値に到達した時点において前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を実測冷媒温度値として取得し、
前記実測冷媒温度値を取得した時点において、前記実測冷媒温度値から前記初期冷媒温度値を減算した差分である実測冷媒昇温値が予め定められた昇温閾値以下の場合に、前記昇温異常条件が満足されたものと判定する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの通常運転中に前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を実測冷媒温度値として取得し、
前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記冷媒出口における前記冷媒の温度推定値を算出すると共に、前記実測冷媒温度値から前記温度推定値を減算した差分が予め定められた温度判定閾値以上の場合に、前記昇温異常条件が満足されたものと判定する、
燃料電池システム。
【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関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、圧力センサを用いて冷却水循環回路に生じる漏洩を判定する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池の冷却水循環回路に冷却水ポンプと圧力センサとが設けられており、圧力センサによって検出された冷却水ポンプの入口圧が予め定められた基準圧より小さいときに、冷却水循環回路に漏洩が生じていると判定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８５４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、漏洩判定のために専用の圧力センサを設けなければならず、部品点数が増大するという問題がある。そこで、漏洩判定専用の圧力センサを設けることなく、漏洩を判定できる技術が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に冷媒を流通させる冷媒ポンプを有する冷却系と、前記冷媒ポンプの回転数を取得する回転数取得部と、前記冷媒ポンプの消費電力を取得する消費電力取得部と、前記回転数取得部によって取得された回転数を受けて前記冷媒ポンプを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記冷媒ポンプの回転数と消費電力閾値との間の予め定められた対応関係を記憶しており、前記冷媒ポンプを一定回転数で回転させる定回転数制御を実行しながら、前記冷媒の漏洩の有無を判定する冷媒漏洩判定処理を実行し、前記冷媒漏洩判定処理において、前記回転数取得部によって取得された回転数値を用いて前記対応関係を参照することによって前記回転数値に対応する消費電力閾値を決定し、前記消費電力取得部によって取得された消費電力値が、前記回転数値に対応する前記消費電力閾値以下である場合に、前記冷媒が漏洩していると判定する。
【０００７】
この形態の燃料電池システムによれば、制御装置は、消費電力取得部によって取得された冷媒ポンプの消費電力値が、回転数取得部によって取得された冷媒ポンプの回転数値に対応する消費電力閾値以下である場合に、冷媒が漏洩していると判定するので、漏洩判定専用の圧力センサを設けることなく冷媒の漏洩を判定できる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記回転数値が予め定められた回転数閾値未満である場合に、前記冷媒ポンプの回転数を前記回転数閾値以上に増加させてから、前記冷媒漏洩判定処理を実行してもよい。
【０００９】
上記形態の燃料電池システムによれば、制御装置は冷媒ポンプの回転数を回転数閾値以上に増加させてから冷媒漏洩判定処理を実行するので、漏洩の有無による消費電力の変化がより明確になり、冷媒の漏洩をより正確に判定できる。
【００１０】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、更に、前記燃料電池の冷媒出口における前記冷媒の温度を測定する出口温度センサを備え、前記制御装置は、前記出口温度センサによって測定された冷媒温度が、前記冷媒の漏洩により生じ得るものとして予め設定された昇温異常条件を満足するか否かを判定し、前記昇温異常条件を満足し、かつ、前記回転数値が前記回転数閾値未満である場合に、前記冷媒ポンプの回転数を前記回転数閾値以上に増加させてから、前記冷媒漏洩判定処理を実行してもよい。
【００１１】
冷媒に昇温異常がある場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が高い。上記形態の燃料電池システムによれば、冷媒に昇温異常があるものと判定した場合に、冷媒ポンプの回転数を回転数閾値以上に設定してから冷媒漏洩判定処理を実行するので、冷媒の漏洩を更に正確に判定できる。
【００１２】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池システムの始動時において前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を初期冷媒温度値として取得し、その後、前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記冷媒出口における前記冷媒の温度推定値を算出すると共に、前記温度推定値が予め定められた判定開始閾値に到達した時点において前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を実測冷媒温度値として取得し、前記実測冷媒温度値を取得した時点において、前記実測冷媒温度値から前記初期冷媒温度値を減算した差分である実測冷媒昇温値が予め定められた昇温閾値以下の場合に、前記昇温異常条件が満足されたものと判定してもよい。
【００１３】
始動時に冷媒温度が十分に上昇しない場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が高い。上記形態の燃料電池システムによれば、制御装置は、燃料電池システムの始動後に冷媒温度が十分に上昇しない場合に、冷媒に昇温異常があるものと判定して冷媒ポンプの回転数を回転数閾値以上に設定してから冷媒漏洩判定処理を実行するので、冷媒の漏洩を更に正確に判定できる。
【００１４】
（５）上記（３）の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池システムの通常運転中に前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を実測冷媒温度値として取得し、前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記冷媒出口における前記冷媒の温度推定値を算出すると共に、前記実測冷媒温度値から前記温度推定値を減算した差分が予め定められた温度判定閾値以上の場合に、前記昇温異常条件が満足されたものと判定してもよい。
【００１５】
通常運転中においては、冷媒温度が過度に上昇する場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が高い。上記形態の燃料電池システムによれば、制御装置は、燃料電池システムの通常運転中に冷媒温度が過度に上昇する場合に、冷媒ポンプの回転数を回転数閾値以上に設定してから冷媒漏洩判定処理を実行するので、冷媒の漏洩を更に正確に判定できる。
【００１６】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の冷媒漏洩の判定方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。
【図２】第１実施形態における冷媒漏洩判定処理を説明するフローチャート。
【図３】冷媒ポンプの回転数と消費電力の関係を例示する説明図。
【図４】第２実施形態における冷媒漏洩判定処理を説明するフローチャート。
【図５】第２実施形態における冷媒ポンプの回転数と消費電力の関係を例示する説明図。
【図６】第３実施形態における冷媒漏洩判定処理を説明するフローチャート。
【図７】燃料電池システムの始動時の冷媒昇温異常判定を説明するフローチャート。
【図８】燃料電池システムの通常運転中の冷媒昇温異常判定を説明するフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
・第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、カソードガス供給排出系１００と、アノードガス供給系２００と、ＦＣ冷却系５００と、消費電力取得部６００と、制御装置７００と、を備える。本実施形態では、一例として燃料電池車両に搭載された燃料電池システムについて説明する。燃料電池車両は、燃料電池２０により発電した電気によりモータを駆動し、走行する。但し、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車両用途に限定されるものではなく、他の用途に適用することも可能である。
【００１９】
燃料電池２０は、例えば固体高分子形燃料電池であり、複数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。各単セルは、高分子電解質膜が一対の電極に挟持されて構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、それを両側から挟む一対のセパレータとを有している。燃料電池２０は、カソードガスとアノードガスとの酸化還元反応により発電する。また、燃料電池２０にはＦＣセンサ３０が設けられており、ＦＣセンサ３０により燃料電池２０の発電電圧と発電電流が測定される。なお、燃料電池２０の近傍には外気温を測定する外気温センサ４０が配置されている。
【００２０】
カソードガス供給排出系１００は、カソードガス供給管１１０とカソードガス排出管１２０とを備えている。カソードガス供給管１１０には、エアコンプレッサ１６０とガス流量センサ１５０とが設けられている。エアコンプレッサ１６０は、システム外から取り込んだ空気をカソードガスとして燃料電池２０へ供給する。ガス流量センサ１５０は、空気の流量を測定する。カソードガス排出管１２０には、圧力センサ１３０と調圧弁１４０とが設けられている。調圧弁１４０は、燃料電池２０におけるカソードガスの圧力を調整する。圧力センサ１３０は、燃料電池２０のカソードガス出口におけるカソードガスの圧力を測定する。
【００２１】
アノードガス供給系２００は、アノードガスタンク２１０と、アノードガス供給管２２０と、アノードガス還流管２３０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０と、アノードガスポンプ２８０と、を備えている。アノードガスタンク２１０は、例えば高圧の水素ガスを貯蔵している。アノードガスタンク２１０は、アノードガス供給管２２０を介して燃料電池２０と接続されている。アノードガス供給管２２０には、アノードガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０とが設けられている。主止弁２５０は、アノードガスタンク２１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、燃料電池２０に供給されるアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ２７０は、燃料電池２０に供給されるアノードガスの圧力を測定する。アノードガス還流管２３０は、燃料電池２０に消費されなかったアノードガスをアノードガス供給管２２０へ戻すための配管である。アノードガス還流管２３０には、アノードガスポンプ２８０が設けられている。アノードガスポンプ２８０は、燃料電池２０から排出されたアノードガスを駆動し、アノードガス供給管２２０へ送出する。
【００２２】
ＦＣ冷却系５００は、冷媒供給管５１０と、冷媒排出管５２０と、ラジエータ５３０と、バイパス管５４０と、三方弁５４５と、冷媒ポンプ５７０と、入口温度センサ５５０と、出口温度センサ５６０と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。三方弁５４５は、ラジエータ５３０とバイパス管５４０への冷媒の流量を調節するための弁である。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。
【００２３】
冷媒ポンプ５７０は、冷媒供給管５１０に設けられており、冷媒を燃料電池２０に供給する。冷媒ポンプ５７０には、インバータ８００から交流電圧が供給される。すなわち、インバータ８００は、燃料電池２０又は二次電池（図示せず）から供給される直流電圧を交流電圧に変換して冷媒ポンプ５７０に供給する。インバータ８００には、冷媒ポンプ５７０の回転数を取得する回転数取得部８１０と、インバータ８００に供給される直流電流及び直流電圧を測定する電流電圧計８２０とが設けられている。本実施形態では、制御装置７００は冷媒ポンプ５７０をレゾルバレス制御（センサレス制御）しており、回転数取得部８１０は、冷媒ポンプ５７０のモータの電流又は電圧から電気角を測定し、電気角の変化から回転数を算出する。但し、レゾルバやロータリーエンコーダ等の回転数センサを用いて回転数を取得してもよい。なお、冷媒ポンプ５７０は、制御装置７００により必要に応じて定回転数制御される。
【００２４】
入口温度センサ５５０と出口温度センサ５６０は、冷媒供給管５１０と冷媒排出管５２０のそれぞれに設けられている。入口温度センサ５５０は、燃料電池２０の冷媒入口における冷媒の温度を測定する。出口温度センサ５６０は、燃料電池２０の冷媒出口における冷媒の温度を測定する。通常は、出口温度センサ５６０で測定された冷媒温度は、燃料電池２０の温度にほぼ等しいと考えることが可能である。なお、入口温度センサ５５０をより上流側（例えばラジエータ５３０の出口側配管、又は、ラジエータ５３０の出口側配管とバイパス管５４０との合流点直後の位置）に設けてもよい。
【００２５】
消費電力取得部６００は、電流電圧計８２０によって測定された直流電流値と直流電圧値とを用いて、冷媒ポンプ５７０の消費電力を算出する。但し、この方法以外の他の方法を用いて冷媒ポンプ５７０の消費電力を取得してもよい。例えば、制御装置７００内で発生する冷媒ポンプ５７０のトルク指令値と、回転数取得部８１０によって取得された冷媒ポンプ５７０の回転数値とを用いて、冷媒ポンプ５７０の消費電力を算出してもよい。この場合には、電流電圧計８２０を省略してもよい。あるいは、冷媒ポンプ５７０のモータとしてＤＣモータを用い、ＤＣモータの駆動電圧とデューティ比、及び、回転数（又は電流値）から消費電力を算出してもよい。
【００２６】
制御装置７００は、中央処理装置と、主記憶装置と、不揮発性記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、燃料電池システム１０内の各種機器の動作を制御する。図１では、制御装置７００とＦＣ冷却系５００内の各機器との間の制御信号やセンサ信号のための接続関係を破線で示している。制御装置７００は、入口温度センサ５５０と出口温度センサ５６０から供給される冷媒温度に基づいて、冷媒ポンプ５７０の回転数と、ラジエータファン５３５の回転数と、三方弁５４５の開度とを調節することによって、燃料電池２０の冷却状態を制御する。また、制御装置７００は、出口温度センサ５６０と、回転数取得部８１０及び消費電力取得部６００から供給される各信号を用いて、後述する冷媒漏洩判定処理を実行する。なお、制御装置７００は、冷媒ポンプ５７０を一定回転数で回転させる定回転数制御を実行しながら、冷媒漏洩判定処理を実行する。
【００２７】
図２は、第１実施形態における冷媒漏洩判定処理のステップＳ１００のフローチャートである。ステップＳ１１０において、定回転数制御中に冷媒ポンプ５７０の回転数が回転数取得部８１０によって取得され、その回転数値が制御装置７００に供給される。ステップＳ１２０において、冷媒ポンプ５７０の消費電力が消費電力取得部６００によって取得され、その消費電力値が制御装置７００に入力される。ステップＳ１３０において、制御装置７００は、ステップＳ１２０で入力された消費電力値が、ステップＳ１１０で入力された回転数値に対応する消費電力閾値以下であるか否かを判定する。なお、冷媒ポンプ５７０の回転数と消費電力閾値の対応関係は予め設定されており、制御装置７００内の不揮発性記憶装置に記憶されている。
【００２８】
ステップＳ１３０において、冷媒ポンプ５７０の消費電力値が消費電力閾値よりも大きい場合には、制御装置７００は、ステップＳ１４０において冷媒の漏洩がないものと判定し、冷媒漏洩判定処理を終了する。一方、消費電力値が消費電力閾値以下である場合には、制御装置７００は、ステップＳ１５０において、冷媒の漏洩があるものと判定し、冷媒漏洩判定処理を終了する。なお、冷媒の漏洩があるものと判定した場合には、制御装置７００は車両のドライバーに警報を出したり、燃料電池システムを停止して車両の動力源を二次電池に切り替えたりする等の予め設定された漏洩判定時動作を実行するようにしてもよい。
【００２９】
ここで、冷媒ポンプ５７０の消費電力と冷媒の漏洩との関係を説明する。定回転数で運転している冷媒ポンプ５７０を有するＦＣ冷却系５００において、冷媒の漏洩が発生すると冷媒の流量が減少するので、冷媒ポンプ５７０は冷媒の漏洩が発生する前と同じ回転数を維持するのに必要な消費電力が減少する。このため、冷媒ポンプ５７０の消費電力の減少を冷媒の漏洩が発生する判定指標とすることが可能である。この点は更に後述する。
【００３０】
なお、ステップＳ１１０とステップＳ１２０との間に、冷媒ポンプ５７０の回転数値が正常か否か（回転数値が目標回転数の許容範囲内にあるか否か）を判定するステップを設けてもよい。この場合には、回転数値が正常な場合には、制御装置７００は次のステップＳ１２０を実行し、回転数値が異常な場合には、制御装置７００は冷媒漏洩判定処理を終了するようにしてもよい。
【００３１】
図３は、冷媒の漏洩が発生している場合と発生していない場合において、冷媒ポンプ５７０の回転数Ｎと消費電力Ｐｗの関係を例示する説明図である。図３では、冷媒ポンプ５７０の通常運転時の回転数範囲内に、４つのグラフＬ１，Ｌ２，Ｌ３，ＴＬが描かれている。グラフＬ１は、冷媒の漏洩が発生していない場合の冷媒ポンプ５７０の回転数Ｎと消費電力Ｐｗの対応関係を示すグラフである。グラフＬ２，Ｌ３は、冷媒の漏洩が発生している場合の冷媒ポンプ５７０の回転数Ｎと消費電力Ｐｗの対応関係を示すグラフである。グラフＴＬは、冷媒ポンプ５７０の回転数Ｎと消費電力閾値の対応関係を示すグラフである。この例では、冷媒ポンプ５７０の通常運転時の回転数範囲において、冷媒の漏洩が発生していない場合（グラフＬ１）では、消費電力Ｐｗが消費電力閾値（グラフＴＬ）よりも大きい。一方、冷媒の漏洩が発生している場合（グラフＬ２，Ｌ３）では、消費電力Ｐｗが消費電力閾値（グラフＴＬ）以下である。従って、冷媒ポンプ５７０の消費電力値を消費電力閾値と比較することによって、冷媒の漏洩の有無を判定することが可能である。
【００３２】
以上説明したように、第１実施形態では、制御装置７００は、消費電力取得部６００によって取得された冷媒ポンプ５７０の消費電力値が、回転数取得部８１０によって取得された冷媒ポンプ５７０の回転数値に対応する消費電力閾値以下である場合に、冷媒が漏洩していると判定するので、漏洩判定専用の圧力センサを設けることなく冷媒の漏洩を判定できる。
【００３３】
・第２実施形態：
図４は、第２実施形態における冷媒漏洩判定処理を説明するフローチャートである。この処理フローは、図２のステップＳ１００の前に、ステップＳ２００（ステップＳ２１０〜Ｓ２３０）を追加したものである。ステップＳ２１０において、第１実施形態のステップＳ１１０と同様に、定回転数制御中に回転数取得部８１０によって取得された冷媒ポンプ５７０の回転数値が制御装置７００に入力される。ステップＳ２２０において、制御装置７００は、ステップＳ２１０で入力された回転数値が予め定められた回転数閾値未満であるか否かを判定する。この回転数閾値は、高精度な冷媒漏洩判定処理に適した十分な回転数となっているか否かを判定するための値である。
【００３４】
ステップＳ２２０において、回転数値が回転数閾値未満である場合には、制御装置７００は、ステップＳ２３０において、冷媒ポンプ５７０の回転数を回転数閾値以上に増加させる。回転数値が回転数閾値以上の場合には、制御装置７００は、冷媒ポンプ５７０の回転数を増加させずに冷媒漏洩判定処理のステップＳ１００（図２のステップＳ１１０〜Ｓ１５０）を実行する。なお、ステップＳ２２０からステップＳ１００に直接移行した場合には、制御装置７００は図２のステップＳ１１０を再度実行する必要がなく、ステップＳ２１０で取得された回転数値をそのまま用いてもよい。
【００３５】
図５は、第２実施形態における冷媒ポンプ５７０の回転数Ｎと消費電力Ｐｗの関係を例示する説明図であり、第１実施形態の図３に対応する図である。図３に示す第１実施形態との違いは、消費電力判定閾値を示すグラフＴＬ１のみであり、他のグラフＬ１，Ｌ２，Ｌ３は第１実施形態と同様である。このグラフＴＬ１では、回転数閾値Ｎｍｉｎ未満の範囲では、消費電力閾値が設定されておらず、回転数閾値Ｎｍｉｎ以上範囲では、消費電力閾値が設定されている。この理由は、回転数閾値Ｎｍｉｎ未満の範囲では、冷媒の漏洩の有無による消費電力Ｐｗの差が小さいので、消費電力Ｐｗによる漏洩判定の精度が不十分な可能性があるからである。第２実施形態の冷媒漏洩判定処理においては、冷媒ポンプ５７０の回転数を回転数閾値Ｎｍｉｎ以上に増加させるので、冷媒の漏洩をより正確に判定できる。
【００３６】
・第３実施形態：
図６は、第３実施形態における冷媒漏洩判定処理を説明するフローチャートである。この処理フローは、図４のステップＳ２００の前に、ステップＳ３００，Ｓ４００を追加したものである。ステップＳ３００において、制御装置７００は燃料電池２０の冷媒出口における冷媒温度に昇温異常があるか否かを判定する。この昇温異常判定は、出口温度センサ５６０によって測定された冷媒温度と、燃料電池システム１０の正常な運転状態に基づいて推定される冷媒出口における冷媒の温度推定値との関係が、冷媒の漏洩により生じ得るものとして予め設定された昇温異常条件を満足するか否か、を判定する処理である。その処理内容については更に後述する。なお、冷媒に昇温異常があるものと判定した場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が高く、冷媒に昇温異常がないものと判定した場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が低い。
【００３７】
ステップＳ４００では、ステップＳ３００の判定結果に応じて処理を分岐する。すなわち、ステップＳ３００において、冷媒に昇温異常があるものと判定した場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が高いので、制御装置７００は、ステップＳ４００からステップＳ２００に移行して、ステップＳ２００〜Ｓ１００（図４のステップＳ２１０〜Ｓ１００）を実行する。一方、ステップＳ３００において、冷媒に昇温異常がないものと判定した場合には、制御装置７００はステップＳ４００からステップＳ１００に移行して、図２のステップＳ１１０〜Ｓ１５０を実行する。この場合には、消費電力閾値として、図３のグラフＴＬを使用することが好ましい。なお、冷媒に昇温異常がないものと判定した場合には冷媒の漏洩が発生している可能性が低いが、その後に、ステップＳ１００を実行してステップＳ１５０において冷媒漏洩があるものと判定された場合には、冷媒の漏洩の有無について疑問が生じる。このような事態は、冷媒ポンプ５７０の回転数が回転数閾値未満の状態で冷媒漏洩判定処理（ステップＳ１００）を実行した場合に生じ易い。そこで、この場合には、冷媒ポンプ５７０の回転数を回転数閾値以上に増加させてから再度に冷媒漏洩判定処理を実行することが好ましい。
【００３８】
図６の処理フローによれば、冷媒に昇温異常があるものと判定した場合に冷媒ポンプ５７０の回転数を回転数閾値以上に設定するので、冷媒の漏洩を更に正確に判定できる。冷媒の昇温異常判定のステップＳ３００の内容について、燃料電池システム１０が始動時の場合と通常運転中の場合に分けて、図７，図８で順次説明する。ステップＳ３００としては、図７と図８の少なくとも一方を実施することが好ましい。
【００３９】
図７は、燃料電池システム１０の始動時における冷媒昇温異常判定処理（図６のステップＳ３００）の詳細を説明するフローチャートである。スタートスイッチ（図示せず）が押されて、燃料電池システム１０が始動すると、ステップＳ３１０において、出口温度センサ５６０の温度測定値が制御装置７００に入力される。この温度測定値は初期冷媒温度値として使用される。ステップＳ３２０において、制御装置７００は、ステップＳ３１０の初期冷媒温度値と、燃料電池システム１０の運転状態に基づいて、冷媒出口における冷媒の温度推定値を算出する。この算出方法の例は後述する。ステップＳ３３０において、制御装置７００は、ステップＳ３２０で算出された温度推定値が予め定められた判定開始閾値以上か否かを判定する。温度推定値が判定開始閾値未満の場合には、制御装置７００はステップＳ３２０に戻り、ステップＳ３２０〜Ｓ３３０を繰り返す。温度推定値が判定開始閾値以上に到達した場合には、制御装置７００は、ステップＳ３４０において、温度推定値が判定開始閾値以上に到達した時点において出口温度センサ５６０で測定された実測冷媒温度値から、初期冷媒温度値を減算した差分（すなわち実測冷媒昇温値）が予め定められた昇温閾値以下か否かを判定する。実測冷媒昇温値が昇温閾値以下の場合には、制御装置７００は、ステップＳ３６０において、冷媒に昇温異常があるものと判定する。一方、実測冷媒昇温値が昇温閾値よりも大きい場合には、制御装置７００は、ステップＳ３５０において、冷媒に昇温異常はないものと判定する。
【００４０】
始動時においては、冷媒温度が十分に上昇しない場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が高い。そこで、図７のステップＳ３１０〜Ｓ３６０に従って冷媒の昇温異常を判定すれば、冷媒の漏洩の可能性の有無を判定することができる。
【００４１】
冷媒出口における冷媒の温度推定値Ｔｅｓは、例えば以下の式（１）〜式（４）の計算をこの順に一定周期Δｔで繰り返すことによって算出することができる。なお、冷媒の温度推定値ΔＴｅｓの算出では、燃料電池２０の発熱量の一部は外気に伝わると仮定し、また、冷媒はラジエータ５３０を流れずにすべてバイパス管５４０を流れるものと仮定する。
Ｐｅ＝（Ｖｔ−Ｖｍ）×Ｉｍ    …（１）
Ｐｃ＝（Ｔｅｓ−Ｔａｍ）×Ｋ   …（２）
ΔＴｅｓ＝［（Ｐｅ−Ｐｃ）×Δｔ］／Ｃｆｃ    …（３）
Ｔｅｓ＝Ｔｅｓ＋ΔＴｅｓ        …（４）
Ｐｅ：燃料電池２０の発熱量［Ｗ］
Ｖｔ：燃料電池２０の理論起電圧［Ｖ］
Ｖｍ：ＦＣセンサ３０による燃料電池２０の発電電圧測定値［Ｖ］
Ｉｍ：ＦＣセンサ３０による燃料電池２０の発電電流測定値［Ａ］
Ｐｃ：外気への放熱量［Ｗ］
ΔＴｅｓ：一周期Δｔの期間中の冷媒の昇温推定値［℃］
Ｔｅｓ：冷媒の温度推定値［℃］（但し、初期状態ではＴｅｓ＝初期温度測定値）
Ｔａｍ：外気温センサ４０の温度測定値［℃］
Ｋ：燃料電池２０及びＦＣ冷却系５００の放熱係数［Ｗ／℃］
Δｔ：式（１）〜（４）の計算の繰り返し周期［ｓ］
Ｃｆｃ：燃料電池２０の熱容量と冷媒の熱容量との和［Ｊ／℃］
【００４２】
ステップＳ３３０で使用される「判定開始閾値」とは、冷媒の温度推定値が、冷媒昇温異常判定を開始するのに十分な大きさに到達したか否かを判断するための値であり、実験的または経験的に予め設定される。判定開始閾値としては、例えば８℃±５℃が用いられる。
【００４３】
ステップＳ３４０で使用される「昇温閾値」とは、出口温度センサ５６０の誤差や外乱の影響を考慮して、冷媒の温度推定値が判定開始閾値以上に達した時点で、実測冷媒昇温値に異常があるものと判定するための下限値であり、実験的または経験的に予め設定される。昇温閾値としては、例えば４℃±１℃が用いられる。
【００４４】
なお、燃料電池システム１０が始動する前に冷媒が全部漏洩してしまった場合には、出口温度センサ５６０の測定値がほぼ一定の値（外気温）になる。従って、出口温度センサ５６０の温度測定値から初期冷媒温度値を減算した差分はほぼゼロであり、昇温閾値より小さい値になる。従って、図７の手順によって、冷媒の漏洩の可能性の有無を判定することが可能である。
【００４５】
図８は、燃料電池システム１０の通常運転中における冷媒昇温異常判定処理（図６のステップＳ３００）の詳細を説明するフローチャートである。なお、通常運転中では、燃料電池２０自身の温度はほぼ一定である。ステップＳ３１５において、出口温度センサ５６０で測定された実測冷媒温度値が制御装置７００に入力される。ステップＳ３２５において、制御装置７００は、入口温度センサ５５０の温度測定値と、燃料電池システム１０の運転状態に基づいて、燃料電池２０の冷媒出口における冷媒の温度推定値を算出する。この算出方法の例は後述する。ステップＳ３４５において、制御装置７００は、実測冷媒温度値から温度推定値を減算した差分が予め定められた温度判定閾値以上か否かを判定する。実測冷媒温度値から温度推定値を減算した差分が温度判定閾値以上の場合には、制御装置７００は、ステップＳ３６５において、冷媒に昇温異常があるものと判定する。一方、実測冷媒温度値から温度推定値を減算した差分が温度判定閾値未満の場合には、制御装置７００は、ステップＳ３５５において、冷媒に昇温異常がないものと判定する。
【００４６】
通常運転中においては、冷媒温度が過度に上昇する場合には、冷媒の漏洩が発生している可能性が高い。そこで、図８のステップＳ３１５〜Ｓ３６５に従って冷媒の昇温異常を判定すれば、冷媒の漏洩の可能性の有無を判定することができる。
【００４７】
冷媒出口における冷媒の温度推定値Ｔｅｓ１は、例えば以下の式（５）〜（８）の計算をこの順に一定周期Δｔで繰り返すことによって算出することができる。なお、冷媒の温度推定値Ｔｅｓ１の算出では、燃料電池２０の発熱量の一部はラジエータ５３０によって放熱されると仮定し、燃料電池２０から外気への直接放熱は無視できると仮定する。
Ｐｅ＝（Ｖｔ−Ｖｍ）×Ｉｍ    …（５）
Ｐｃ１＝（Ｔｅｓ１−Ｔａｍ）×Ｋｒ   …（６）
ΔＴｅｓ１＝［（Ｐｅ−Ｐｃ１）×Δｔ］／Ｃｗ    …（７）
Ｔｅｓ１＝Ｔ２＋ΔＴｅｓ１    …（８）
Ｐｅ：燃料電池２０の発熱量［Ｗ］
Ｖｔ：燃料電池２０の理論起電圧［Ｖ］
Ｖｍ：ＦＣセンサ３０による燃料電池２０の発電電圧測定値［Ｖ］
Ｉｍ：ＦＣセンサ３０による燃料電池２０の発電電流測定値［Ａ］
Ｔ２：入口温度センサ５５０の温度測定値［℃］
ΔＴｅｓ１：一周期Δｔの期間中の冷媒の昇温推定値［℃］
Ｐｃ１：ラジエータ５３０の放熱量［Ｗ］
Ｔａｍ：外気温センサ４０の温度測定値［℃］
Δｔ：式（５）〜（８）の計算の繰り返し周期［ｓ］
Ｃｗ：冷媒の熱容量［Ｊ／℃］
Ｋｒ：ラジエータ５３０の放熱係数［Ｗ／℃］
【００４８】
なお、ステップＳ３４５における判定においては、ステップＳ３４５の大小関係の他に、その継続時間（ステップＳ３４５がＹｅｓとなる継続時間）を判定条件に含めてもよい。
【００４９】
なお、燃料電池システム１０の通常運転中において、燃料電池２０の冷媒出口における冷媒の温度推定値（すなわち、冷媒の温度目標値）は、燃料電池２０が効率的に発電を行うための適切な温度範囲内にあることが好ましい。また、ステップＳ３４５で使用される「温度判定閾値」とは、通常運転中に実測冷媒温度値が過度に上昇したものと判定するための上限値であり、実験的または経験的に予め設定される。
【００５０】
以上のように、第３実施形態では、制御装置７００は冷媒漏洩判定処理を実行する前に冷媒の昇温異常判定を実行し、冷媒に昇温異常があるものと判定した場合に、冷媒ポンプ５７０の回転数を回転数閾値以上に設定してから冷媒漏洩判定処理を実行するので、冷媒の漏洩を更に正確に判定できる。
【００５１】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…ＦＣセンサ
４０…外気温センサ
１００…カソードガス供給排出系
１１０…カソードガス供給管
１２０…カソードガス排出管
１３０…圧力センサ
１４０…調圧弁
１５０…ガス流量センサ
１６０…エアコンプレッサ
２００…アノードガス供給系
２１０…アノードガスタンク
２２０…アノードガス供給管
２３０…アノードガス還流管
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…圧力センサ
２８０…アノードガスポンプ
５００…ＦＣ冷却系
５１０…冷媒供給管
５２０…冷媒排出管
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス管
５４５…三方弁
５５０…入口温度センサ
５６０…出口温度センサ
５７０…冷媒ポンプ
６００…消費電力取得部
７００…制御装置
８００…インバータ
８１０…回転数取得部
８２０…電流電圧計
【図１】
2018014236.tif 000003
【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】
2018014236.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月12日(2017.9.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に冷媒を流通させる冷媒ポンプを有する冷却系と、
前記冷媒ポンプの回転数を取得する回転数取得部と、
前記冷媒ポンプの消費電力を取得する消費電力取得部と、
前記回転数取得部によって取得された回転数を受けて前記冷媒ポンプを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記冷媒ポンプの回転数と消費電力閾値との間の予め定められた対応関係を記憶しており、
前記冷媒ポンプの定回転数制御を実行しながら、前記冷媒の漏洩の有無を判定する冷媒漏洩判定処理を実行し、
前記冷媒漏洩判定処理において、前記回転数取得部によって取得された回転数値を用いて前記対応関係を参照することによって前記回転数値に対応する消費電力閾値を決定し、前記消費電力取得部によって取得された消費電力値が、前記回転数値に対応する前記消費電力閾値以下である場合に、前記冷媒が漏洩していると判定する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記回転数値が予め定められた回転数閾値未満である場合に、前記冷媒ポンプの回転数を前記回転数閾値以上に増加させてから、前記冷媒漏洩判定処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
前記燃料電池の冷媒出口における前記冷媒の温度を測定する出口温度センサを備え、
前記制御装置は、
前記出口温度センサによって測定された冷媒温度が、前記冷媒の漏洩により生じ得るものとして予め設定された昇温異常条件を満足するか否かを判定し、
前記昇温異常条件を満足し、かつ、前記回転数値が前記回転数閾値未満である場合に、前記冷媒ポンプの回転数を前記回転数閾値以上に増加させてから、前記冷媒漏洩判定処理を実行する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの始動時において前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を初期冷媒温度値として取得し、その後、前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記冷媒出口における前記冷媒の温度推定値を算出すると共に、前記温度推定値が予め定められた判定開始閾値に到達した時点において前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を実測冷媒温度値として取得し、
前記実測冷媒温度値を取得した時点において、前記実測冷媒温度値から前記初期冷媒温度値を減算した差分である実測冷媒昇温値が予め定められた昇温閾値以下の場合に、前記昇温異常条件が満足されたものと判定する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの通常運転中に前記出口温度センサによって測定された冷媒温度を実測冷媒温度値として取得し、
前記燃料電池システムの運転状態に基づいて前記冷媒出口における前記冷媒の温度推定値を算出すると共に、前記実測冷媒温度値から前記温度推定値を減算した差分が予め定められた温度判定閾値以上の場合に、前記昇温異常条件が満足されたものと判定する、
燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に冷媒を流通させる冷媒ポンプを有する冷却系と、前記冷媒ポンプの回転数を取得する回転数取得部と、前記冷媒ポンプの消費電力を取得する消費電力取得部と、前記回転数取得部によって取得された回転数を受けて前記冷媒ポンプを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記冷媒ポンプの回転数と消費電力閾値との間の予め定められた対応関係を記憶しており、前記冷媒ポンプの定回転数制御を実行しながら、前記冷媒の漏洩の有無を判定する冷媒漏洩判定処理を実行し、前記冷媒漏洩判定処理において、前記回転数取得部によって取得された回転数値を用いて前記対応関係を参照することによって前記回転数値に対応する消費電力閾値を決定し、前記消費電力取得部によって取得された消費電力値が、前記回転数値に対応する前記消費電力閾値以下である場合に、前記冷媒が漏洩していると判定する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
冷媒出口における冷媒の温度推定値Ｔｅｓは、例えば以下の式（１）〜式（４）の計算をこの順に一定周期Δｔで繰り返すことによって算出することができる。なお、冷媒の温度推定値Ｔｅｓの算出では、燃料電池２０の発熱量の一部は外気に伝わると仮定し、また、冷媒はラジエータ５３０を流れずにすべてバイパス管５４０を流れるものと仮定する。
Ｐｅ＝（Ｖｔ−Ｖｍ）×Ｉｍ    …（１）
Ｐｃ＝（Ｔｅｓ−Ｔａｍ）×Ｋ   …（２）
ΔＴｅｓ＝［（Ｐｅ−Ｐｃ）×Δｔ］／Ｃｆｃ    …（３）
Ｔｅｓ＝Ｔｅｓ＋ΔＴｅｓ        …（４）
Ｐｅ：燃料電池２０の発熱量［Ｗ］
Ｖｔ：燃料電池２０の理論起電圧［Ｖ］
Ｖｍ：ＦＣセンサ３０による燃料電池２０の発電電圧測定値［Ｖ］
Ｉｍ：ＦＣセンサ３０による燃料電池２０の発電電流測定値［Ａ］
Ｐｃ：外気への放熱量［Ｗ］
ΔＴｅｓ：一周期Δｔの期間中の冷媒の昇温推定値［℃］
Ｔｅｓ：冷媒の温度推定値［℃］（但し、初期状態ではＴｅｓ＝初期温度測定値）
Ｔａｍ：外気温センサ４０の温度測定値［℃］
Ｋ：燃料電池２０及びＦＣ冷却系５００の放熱係数［Ｗ／℃］
Δｔ：式（１）〜（４）の計算の繰り返し周期［ｓ］
Ｃｆｃ：燃料電池２０の熱容量と冷媒の熱容量との和［Ｊ／℃］