(57)【要約】本発明の、自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置は、燃料電池（ＰＡＣ）の温度制御のための冷却液を循環させる循環流路（ＢＣ）と、燃料電池（ＰＡＣ）へ酸素を供給する酸素供給手段（ＧＣＡ）および水素を供給する水素供給手段（Ｒ）と、電子制御装置（ＵＣＥ）とを含む。電子制御装置（ＵＣＥ）は、燃料電池（ＰＡＣ）の固体要素の温度（ＴＳ）を推定する温度推定機（ＥＳＴ）を含む。また本発明の、冷却液の循環を利用する、自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御方法は、燃料電池の固体要素の温度（ＴＳ）を推定し、該推定値に応じて燃料電池の温度を制御する。
2008517423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（ＰＡＣ）の温度制御のための冷却液を循環させる循環流路（ＢＣ）と、上記燃料電池（ＰＡＣ）へ酸素を供給する酸素供給手段（ＧＣＡ）および水素を供給する水素供給手段（Ｒ）と、電子制御装置（ＵＣＥ）とを含む、自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置において、上記電子制御装置（ＵＣＥ）は、上記燃料電池（ＰＡＣ）の固体要素の温度（ＴＳ）を推定する温度推定機（ＥＳＴ）を含むことを特徴とする、自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項２】
上記電子制御装置（ＵＣＥ）は、上記循環流路（ＢＣ）の動作を制御する制御モジュール（ＭＣ）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項３】
上記温度推定機（ＥＳＴ）は、上記燃料電池（ＰＡＣ）の上流における上記冷却液の温度（ＴＲＥＦＩＮ）と、上記燃料電池（ＰＡＣ）の下流における上記冷却液の温度（ＴＲＥＦＯＵＴ）とを含む入力パラメータを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項４】
上記温度推定機（ＥＳＴ）は、上記燃料電池（ＰＡＣ）のカソード（Ｃ）を出る流体の温度（ＴＣＯＵＴ）を含む入力パラメータを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項５】
上記温度推定機（ＥＳＴ）は、上記燃料電池（ＰＡＣ）のアノード（Ａ）を出る流体の温度（ＴＡＯＵＴ）を含む入力パラメータを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項６】
上記温度推定機（ＥＳＴ）によって推定された上記固体要素の上記温度（ＴＳ）を、上記電子制御装置（ＵＣＥ）のメモリに記録された上記固体要素の望ましい温度（ＴＳＤＥＳ）と比較し、該比較結果を、上記循環流路（ＢＣ）の動作を制御する制御モジュール（ＭＣ）へ伝達する、比較機（ＣＯＭＰ）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置。
【請求項７】
冷却液の循環を利用する、自動車に搭載される燃料電池システムの温度の制御方法において、上記燃料電池の固体要素の温度（ＴＳ）を推定し、該推定値に応じて上記燃料電池の温度を制御することを特徴とする、自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御方法。
【請求項８】
上記燃料電池の上記固体要素の上記温度（ＴＳ）の推定値と、上記固体要素の望ましい温度（ＴＳＤＥＳ）とに応じて、上記冷却液の上記循環を操作することを特徴とする、請求項７に記載の自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御方法。
【請求項９】
上記固体要素の上記温度（ＴＳ）の推定は、上記燃料電池の上流における上記冷却液の温度（ＴＲＥＦＩＮ）と、上記燃料電池の下流における上記冷却液の温度（ＴＲＥＦＯＵＴ）とを含むパラメータに基づいて、または上記燃料電池のカソードを出る流体の温度（ＴＣＯＵＴ）を含むパラメータに基づいて、または上記燃料電池のアノード（Ａ）を出る流体の温度（ＴＡＯＵＴ）を含むパラメータに基づいて実行されることを特徴とする、請求項７または８に記載の自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置および温度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のオーバヒートは、燃料電池を損傷させる可能性があるので、燃料電池の温度の制御は重要である。
【０００３】
ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ（陽子交換膜））型の標準的な燃料電池は、特に２極板とＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ（膜電極組立体））とからなる、個々の基本セルを含む。２極板とＭＥＡは、燃料電池の固体要素である。
【０００４】
また、燃料電池は、燃料電池の中で生じ、電気エネルギを供給する、電気化学反応によって得られる生成物を含む流体要素も含む。このような燃料電池は、カソードへ例えば改質装置から水素を供給され、アノードへ一般に空気圧縮機から酸素を供給される。
【０００５】
燃料電池の温度制御装置は既に存在している。
【０００６】
文献ＵＳ  ４，６４０，８７３、ＦＲ  ２  ８０９  ５３５、ＪＰ  ９  ２１３３５７は、燃料電池の温度制御装置に関する。これらの装置においては、燃料電池の温度は、流体要素の温度と同一視されている。
【０００７】
しかしながら、燃料電池の固体要素の温度と、燃料電池の流体要素の温度との間には相違が存在し、このために、固体要素の温度ではなく、流体要素の温度に基づくことによる、温度制御の有効性が制限される。
【特許文献１】ＵＳ  ４，６４０，８７３
【特許文献２】ＦＲ  ２  ８０９  ５３５
【特許文献３】ＪＰ  ９  ２１３３５７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、燃料電池の固体要素の温度を、燃料電池の温度を流体要素の温度と同一視することに比して、高精度に推定することを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池の温度制御のための冷却液を循環させる循環流路と、上記燃料電池へ酸素を供給する酸素供給手段および水素を供給する水素供給手段と、電子制御装置とを含む自動車に搭載される燃料電池システムの温度制御装置を提供する。上記電子制御装置は、上記燃料電池の固体要素の温度を推定する温度推定機を含む。
【００１０】
したがって、固体要素の温度は、流体要素の温度と同一視されないので、より精確である。
【００１１】
望ましい１実施の形態においては、上記電子制御装置は、上記循環流路の動作を制御する制御モジュールをさらに含む。
【００１２】
例えば、上記温度推定機は、上記燃料電池の上流における上記冷却液の温度と、上記燃料電池の下流における上記冷却液の温度とを含む入力パラメータを有する。
【００１３】
例えば、上記温度推定機は、上記燃料電池のカソードを出る流体の温度を含む入力パラメータを有する。
【００１４】
例えば、上記温度推定機は、上記燃料電池のアノード出る流体の温度を含む入力パラメータを有する。
【００１５】
有利な１実施の形態においては、上記温度推定機によって推定された上記固体要素の上記温度を、上記電子制御装置のメモリに記録された上記固体要素の望ましい温度と比較し、該比較結果を、上記循環流路の動作を制御する制御モジュールへ伝達する、比較機を含む。
【００１６】
また本発明は、自動車に搭載される燃料電池システムの温度の制御方法を提供する。本発明の燃料電池システムの温度の制御方法は、冷却液の循環を利用する。上記燃料電池の固体要素の温度を推定し、該推定値に応じて上記燃料電池の温度を制御する。
【００１７】
有利な１実施の形態においては、上記燃料電池の上記固体要素の上記温度の推定値と、上記固体要素の望ましい温度とに応じて、上記冷却液の上記循環を操作する。
【００１８】
有利な１実施の形態においては、上記固体要素の上記温度の推定は、上記燃料電池の上流における上記冷却液の温度と、上記燃料電池の下流における上記冷却液の温度とを含むパラメータに基づいて、または上記燃料電池のカソードを出る流体の温度を含むパラメータに基づいて、または上記燃料電池のアノードを出る流体の温度を含むパラメータに基づいて実行される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、非限定的な例としてとられ、添付図面によって図示された、以下の幾つかの実施の形態の詳細な説明を検討することによって明らかとなるであろう。これらの図面において：
−図１は、本発明による燃料電池システムの温度制御装置のブロック図であり；
−図２は、本発明による温度推定機の第１の実施の形態を示すブロック図であり；
−図３は、本発明による温度推定機の第２の実施の形態を示すブロック図であり；
−図４は、本発明による温度推定機の第３の実施の形態を示すブロック図であり；
−図５は、本発明による温度制御装置を示す図である。
【００２０】
図１は、本発明による燃料電池システムの温度制御装置を示す。この燃料電池システムの温度制御装置は、アノードＡとカソードＣを含む燃料電池ＰＡＣを含む。アノードＡは、改質装置（水素供給手段）Ｒから、水素濃度が高い改質ガスを供給され、カソードＣは、空気圧縮機（酸素供給手段）ＧＣＡから、空気、したがって酸素を供給される。アノードＡから出る流体は、出口管ＳＡを通過し、カソードＣから出る流体は、出口管ＳＣを通過する。
【００２１】
また、燃料電池システムの温度制御装置は、燃料電池ＰＡＣの温度を制御するための冷却液を循環するための循環流路ＢＣを含む。この循環流路ＢＣの、燃料電池ＰＡＣを通過する部分が、図１に示されている。循環流路ＢＣは、従来と同様に、熱交換器と凝縮器も含む。燃料電池を通過する冷却液は、燃料電池の温度が高すぎるときに、燃料電池を冷却するために使用することができるが、破損のリスクがあり、あるいは、始動時に燃料電池を加熱するリスクがある。
【００２２】
また、燃料電池システムの温度制御装置は、燃料電池ＰＡＣの固体要素の温度の精確な推定を可能にする温度推定機ＥＳＴを含む、電子制御装置ＵＣＥを含む。
【００２３】
図２は、温度推定機ＥＳＴの第１の実施の形態を示す。温度推定機ＥＳＴは、入力として、アノードの圧力の場合はｋ＝Ａ、カソードの圧力の場合はｋ＝Ｃである、圧力Ｐｋと、燃料電池によって発生される電流Ｉおよび電圧Ｕと、冷却液の流量Ｑと、循環流路ＢＣの上流における冷却液の温度ＴＲＥＦＩＮと循環流路ＢＣの下流における冷却液の温度ＴＲＥＦＯＵＴを受ける。この実施の形態においては、温度推定機ＥＳＴは、燃料電池ＰＡＣの固体要素の温度に関して、次式を使用する。
【００２４】
【数１】
2008517423.tif 000003
ここに、
ＴＲＥＦＩＮ、ＴＲＥＦＯＵＴは、上流における冷却液の温度と、下流における冷却液の温度であり、単位はＫ、
ＴＳは、燃料電池の固体要素の平均温度で、単位はＫ、
Ｌｒｅｆは、循環流路ＢＣすなわち冷却回路の長さで、単位はｍ、
ρｒｅｆは、冷却液の密度で、単位はｋｇ／ｍ３、
Ｃｐ，ｒｅｆは、冷却液の比熱容量で、単位はＪ／ｋｇ／Ｋ、
ｈｒｅｆは、循環流路ＢＣの熱伝達係数で、単位はＷ・ｍ−２・Ｋ−１、
Ｓｒｅｆは、循環流路と燃料電池との間の熱交換表面積で、単位はｍ２、
Ｖｒｅｆは、燃料電池内における循環流路の冷却液の容積で、単位はｍ３、
Ｗｔｈｅｒｍ（Ｉ，Ｕ）は、燃料電池から発散される熱量で、単位はＷ、
ｈＡは、アノード回路の入り口における熱伝達係数で、単位はＷ・ｍ−２・Ｋ−１、
ＳＡは、アノード回路と燃料電池との間の熱交換表面積で、単位はｍ２、
ｈＣは、カソード回路の入り口における熱伝達係数で、単位はＷ・ｍ−２・Ｋ−１、ＳＣは、カソード回路と燃料電池との間の熱交換表面積で、単位はｍ２、
ＴＡＯＵＴは、流体要素すなわちガスの、アノードの出口における温度で、単位はＫ、
ＴＣＯＵＴは、流体要素すなわちガスの、カソードの出口における温度で、単位はＫ、
ＭＰＡＣは、燃料電池の質量で、単位はｋｇ、
Ｃｐは、燃料電池の比熱容量で、単位はＪ・ｋｇ−１・Ｋ−１、
である。
【００２５】
完全ガスの法則を用いて、
【００２６】
【数２】
2008517423.tif 000004
ここに、
ｋは、ＡまたはＣを表わし、
ρｋは、ｋ＝Ａであればアノードガスの密度、ｋ＝Ｃであればカソードガスの密度、
Ｐｋは、ｋ＝Ａであればアノードの圧力、ｋ＝Ｃであればカソードの圧力、
Ｒは、完全ガスのガス常数、
ＴｋＯＵＴは、ｋ＝ＡであればＴＡＯＵＴであり、ｋ＝ＣであればＴＣＯＵＴであり、この式は、
【００２７】
【数３】
2008517423.tif 000005
とおくことによって、簡単化される。  
ここに、
Ｃｐ，ｋは、ｋ＝Ａであればアノードの比熱容量、ｋ＝Ｃであればカソードの比熱容量であり、単位はＪ・ｋｇ−１・Ｋ−１、
Ｖｋは、ｋ＝Ａであればアノードガスの流速、ｋ＝Ｃであればカソードガスの流速であり、単位はｍ／ｓ、
Ｌは、配管の長さであり、単位はｍである。
【００２８】
したがって次式が得られる。
【００２９】
【数４】
2008517423.tif 000006
ここに、
ＴｋＯＵＴは、ｋ＝Ａであればアノードの出口における温度、ｋ＝Ｃであればカソードの出口における温度で、単位はＫ、
ＴｋＩＮは、ｋ＝Ａであればアノードの入口における温度、ｋ＝Ｃであればカソードの入口における温度で、単位はＫ、
Ｌｖは、水の溶解潜熱で、単位はＪ／ｍｏｌ、
Ｎｋ，Ｈ２Ｏ（１）ＯＵＴは、ｋ＝Ａであればアノードを出る溶けた水の流量、ｋ＝Ｃであればカソードを出る溶けた水の流量で、単位はｍｏｌ／ｓ、
であり、循環流路から、
【００３０】
【数５】
2008517423.tif 000007
ここに、
Ｑは、冷却液の流量で、単位はｍｏｌ／ｓである。
【００３１】
温度推定機ＥＳＴは、動作点の周りの非線形系の線形化を使用することもできる。
【００３２】
図３は、温度推定機ＥＳＴの第２の実施の形態を示す。
【００３３】
この実施の形態は、次式
【００３４】
【数６】
2008517423.tif 000008
を使用する。
【００３５】
温度推定機ＥＳＴは、入力として、熱伝達係数のリセットに用いられる、アノードの圧力の場合はｋ＝Ａ、カソードの圧力の場合はｋ＝Ｃである、圧力Ｐｋと、燃料電池によって発生される電流Ｉおよび電圧Ｕと、冷却液の流量Ｑと、燃料電池ＰＡＣのアノード部Ａから出るガスの温度ＴＡＯＵＴを受ける。アノード部Ａの入り口における温度ＴＡＩＮは、これらの入力から導かれる。
【００３６】
温度推定機ＥＳＴは、動作点の周りの非線形系の線形化を使用することもできる。
【００３７】
図４は、温度推定機ＥＳＴの第３の実施の形態を示す。
【００３８】
この実施の形態は、次式
【００３９】
【数７】
2008517423.tif 000009
を使用する。
【００４０】
温度推定機ＥＳＴは、入力として、熱伝達係数のリセットに用いられる、アノードの圧力の場合はｋ＝Ａ、カソードの圧力の場合はｋ＝Ｃである、圧力Ｐｋと、燃料電池によって発生される電流Ｉおよび電圧Ｕと、冷却液の流量Ｑと、燃料電池ＰＡＣのカソード部Ｃから出るガスの温度ＴＣＯＵＴを受ける。カソード部Ｃの入り口における温度ＴＣＩＮは、これらの入力から導かれる。
【００４１】
温度推定機ＥＳＴは、動作点の周りの非線形系の線形化を使用することもできる。
【００４２】
図５は、本発明による温度制御装置の１実施の形態を示す。温度制御装置は、例えば図２に示したような、上述した温度推定機ＥＳＴを含む。また、温度制御装置は、温度推定機ＥＳＴによって推定された燃料電池ＰＡＣの固体要素の温度ＴＳと、電子制御装置ＵＣＥのメモリに記録された望ましい温度ＴＳＤＥＳとの間の比較を行う、比較機ＣＯＭＰを含む。比較の結果は、制御モジュールＭＣへ伝達される。制御モジュールＭＣは、燃料電池ＰＡＣを通過する冷却液の流量と、流入冷却液の温度ＴＲＥＦＩＮとを制御するために、冷却液が循環する循環流路ＢＣとその構成要素の動作を制御することが可能である。
【００４３】
本発明は、燃料電池の固体要素の温度を推定する精度を改善することによって、燃料電池のよりよい温度の制御を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明による燃料電池システムの温度制御装置のブロック図である。
【図２】本発明による温度推定機の第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】本発明による温度推定機の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】本発明による温度推定機の第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】本発明による温度制御装置を示す図である。
【図１】
2008517423.tif 000010
【図２】
2008517423.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008517423.tif 000014
【国際調査報告】
2008517423.tif 000015
2008517423.tif 000016
2008517423.tif 000017
2008517423.tif 000018