(57)【要約】【課題】燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の軽負荷運転時において、イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が所定基準値を下回っているときは、該冷却媒体の量が増加するように燃料電池冷却手段の制御を行う。【解決手段】燃料電池に供給される冷却媒体中のイオンを除去するイオン除去手段を通過する冷却媒体の量が所定基準値を下回っていると判断したときは、その判断時点におけるイオン除去手段を通過する冷却媒体の量が小さいほど、前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が増加するようにし、その判断時点におけるイオン除去手段を通過する冷却媒体の量に応じて冷却媒体の量を増加させたときは、その状態を所定期間だけ維持する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体を燃料電池に供給する燃料電池冷却手段と、
前記燃料電池冷却手段によって供給される冷却媒体中のイオンを除去するイオン除去手段と、
前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が所定基準値を下回っていると判断したときは、前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が増加するように前記燃料電池冷却手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記判断時点における前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が小さいほど、冷却媒体の増加量が大きくなるように前記燃料電池冷却手段を制御し、前記判断時点における前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量に応じて冷却媒体の量を増加させたときは、その状態を所定期間だけ維持することを特徴と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であって、
前記燃料電池冷却手段は、冷却媒体を燃料電池に供給するためのポンプを含み、
前記制御手段は、前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の積算値と燃料電池システムの運転継続時間とから前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の平均通過量を算出し、燃料電池システム運転中の冷却媒体の平均通過量が所定基準値以下であると判断したときは、該判断時点における冷却媒体の平均通過量に応じて前記ポンプの最低回転数を上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記所定期間は１０秒以内の期間であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池に供給される冷却媒体中のイオンを除去するイオン除去手段を通過する冷却媒体の量が所定基準値を下回っていると判断したときは、前記判断時点における前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が小さいほど、前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が増加するようにし、前記判断時点における前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の量に応じて冷却媒体の量を増加させたときは、その状態を所定期間だけ維持することを特徴とする燃料電池システム制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の積算値と燃料電池システムの運転継続時間とから前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の平均通過量を算出し、燃料電池システム運転中の冷却媒体の平均通過量が所定基準値以下であると判断したときは、該判断時点における冷却媒体の平均通過量に応じて、冷却媒体を燃料電池に供給するためのポンプの最低回転数を上昇させることを特徴とする燃料電池システム制御方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記所定期間は１０秒以内の期間であることを特徴とする燃料電池システム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには、燃料電池を所定の適温範囲に維持するための冷却装置が設けられている。冷却装置は、冷却液循環ポンプ等によって冷却液を燃料電池に供給する構成を採るのが一般的であるが、冷却液中に金属イオンなどの各種イオンが存在していると、そのイオンの存在によって導電率が高められ、電気的絶縁性を悪化させる原因となる。電気的絶縁性の悪化を防ぐために、冷却液の循環流路にイオン交換器を設け、冷却液中に存在する各種イオンを除去している。
【０００３】
冷却液中の導電率を適正に管理するためには、イオン交換器にある一定量以上の冷却液が流れている必要がある。そのため、イオン交換器の上流側に流量レギュレータを設けて、イオン交換器に流入する冷却液の流量を一定に調整する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１００３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の軽負荷運転時においては、燃費を向上させるために、冷却液循環ポンプの回転数を下げて運転する。かかる軽負荷運転時においては、流量レギュレータの制御限界を超えて冷却液の流量が減少する場合がある。
【０００６】
そうすると、イオン交換器に流入する冷却液の流量が減少してしまい、冷却液の導電率が高くなることにより、冷却液の電気的絶縁性を悪化させてしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池システムであって、冷却媒体を燃料電池に供給する燃料電池冷却手段と、燃料電池冷却手段によって供給される冷却媒体中のイオンを除去するイオン除去手段と、イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が所定基準値を下回っていると判断したときは、イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が増加するように燃料電池冷却手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、その判断時点におけるイオン除去手段を通過する冷却媒体の量が小さいほど、冷却媒体の増加量が大きくなるように燃料電池冷却手段を制御し、その判断時点におけるイオン除去手段を通過する冷却媒体の量に応じて冷却媒体の量を増加させたときは、その状態を所定期間だけ維持することを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、燃料電池システムの軽負荷運転時において、イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が減少して冷却媒体の電気的絶縁性が悪化することを防止できると共に、燃料電池冷却手段の無駄な電力消費を防止することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池冷却手段は、冷却媒体を燃料電池に供給するためのポンプを含み、制御手段は、イオン除去手段を通過する冷却媒体の積算値と燃料電池システムの運転継続時間とから前記イオン除去手段を通過する冷却媒体の平均通過量を算出し、燃料電池システム運転中の冷却媒体の平均通過量が所定基準値以下であると判断したときは、該判断時点における冷却媒体の平均通過量に応じて前記ポンプの最低回転数を上昇させることが好適である。
【００１０】
かかる構成によれば、燃料電池システムの軽負荷運転時にイオン交換器に流入する冷却媒体の流量が減少したときであっても、ポンプの最低回転数を上昇させることによりイオン交換器に流入する冷却媒体の量を増加させ、冷却媒体の電気的絶縁性の悪化を防止することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、所定期間は１０秒以内の期間であることが好適である。
【００１２】
かかる構成によれば、ポンプの最低回転数を上昇させた状態を長時間継続させないため、ポンプの無駄な電力消費を防ぐことができる。実際の燃料電池車両においては、ポンプ最低回転数を上昇させた状態を１０秒間だけ継続させることが好ましい態様である。
【００１３】
本発明は、燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池に供給される冷却媒体中のイオンを除去するイオン除去手段を通過する冷却媒体の量が所定基準値を下回っていると判断したときは、その判断時点におけるイオン除去手段を通過する冷却媒体の量が小さいほど、イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が増加するようにし、その判断時点におけるイオン除去手段を通過する冷却媒体の量に応じて冷却媒体の量を増加させたときは、その状態を所定期間だけ維持することを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池システム制御方法において、イオン除去手段を通過する冷却媒体の積算値と燃料電池システムの運転継続時間とからイオン除去手段を通過する冷却媒体の平均通過量を算出し、燃料電池システム運転中の冷却媒体の平均通過量が所定基準値以下であると判断したときは、該判断時点における冷却媒体の平均通過量に応じて、冷却媒体を燃料電池に供給するためのポンプの最低回転数を上昇させることが好適である。
【００１５】
本発明の燃料電池システム制御方法において、所定期間は１０秒以内の期間であることが好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池システムの軽負荷運転時において、イオン除去手段を通過する冷却媒体の量が減少して冷却媒体の電気的絶縁性が悪化することを防止できると共に、燃料電池冷却手段の無駄な電力消費を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１８】
図１は、本発明の燃料電池システムの構成の概略を示す図である。本発明の燃料電池システムは、燃料電池１０、制御部３０、冷却装置４０を備えている。本実施形態においては、本発明の燃料電池システムは燃料電池車両に搭載されている。
【００１９】
燃料電池１０は、単セルを複数積層して構成されている。個々の単セルは、電解質膜（例えば高分子膜）が、アノード電極とカソード電極で挟持され、さらにその両側をセパレータで挟み込む構造となっている。上記単セルの構造は、従来より広く知られている燃料電池の単セル構造と同様である。
【００２０】
燃料電池１０は、燃料である水素ガス及び酸化剤である空気の供給を受けて電力を発電する。本実施形態においては、水素ガス及び空気の循環経路は図１によって示される構成としたが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。
【００２１】
燃料ガスである水素ガスは、図示しない水素タンクから燃料電池１０を構成する複数の各セルの燃料極（アノード）に供給される。酸化剤ガスである空気は、図示しないエアーコンプレッサから燃料電池１０を構成する複数の各セルの空気極（カソード）に供給される。
【００２２】
冷却装置４０は、放熱器１２、冷却水循環ポンプ１４、イオン交換器１６、冷却水循環ポンプ出口流路２１、燃料電池入口流路２２、燃料電池出口流路２３、イオン交換器入口流路２４、イオン交換器出口流路２５、放熱器入口流路２６、放熱器出口流路２７を備える。冷却装置４０は、燃料電池１０を冷却するための冷却媒体を燃料電池１０と放熱器１２との間で循環させて燃料電池１０を冷却し、その排熱を外気に放出させるための装置である。なお、本実施形態においては、冷却媒体は水としているが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論である。
【００２３】
冷却水循環ポンプ１４の出口は、冷却水循環ポンプ出口流路２１に接続されている。冷却水循環ポンプ出口流路２１は、燃料電池入口の上流側で燃料電池入口流路２２とイオン交換器入口流路２４とに分岐する。燃料電池入口流路２２は燃料電池１０に接続されている。イオン交換器入口流路２４はイオン交換器１６の入口に接続されている。燃料電池出口流路２３とイオン交換器出口流路２５との合流点は放熱器入口流路２６に接続されている。燃料電池出口流路２３は、燃料電池１０に接続されている。イオン交換器出口流路２５は、イオン交換器１６の出口に接続されている。放熱器入口流路２６は、放熱器１２の入口に接続されている。燃料電池を冷却した後の冷却水は、燃料電池出口流路２３と放熱器入口流路２６とを通り、放熱器１２へと流れる。放熱器１２の出口は、放熱器出口流路２７を介して、冷却水循環ポンプ１４の入口と接続されている。
【００２４】
冷却水循環ポンプ１４は、冷却水を燃料電池１０とイオン交換器１６に供給する。冷却水循環ポンプ１４は、制御部３０に接続されている。放熱器１２は、冷却水を外気と熱交換させ、冷却水が保有する熱を外部に放出させる。イオン交換器１６は、イオン交換樹脂を用いて冷却水に含まれる金属イオンなどの各種イオンを除去するための装置である。イオン交換器１６は燃料電池１０と並列に配設されて、冷却水の一部をイオン交換器に通水している。
【００２５】
イオン交換器入口流路２４には、イオン交換器１６を通過する冷却水の量を検出するための冷却水流量計１８が設けられている。冷却水流量計１８は、制御部３０に接続されている。制御部３０は、冷却水流量計１８からの検出信号を受け取り、燃料電池システム始動後にイオン交換器１６を通過した冷却水量の積算値を算出する。また、制御部３０は、燃料電池システムの運転継続時間を計測しており、燃料電池システム運転中のある時点における冷却水量積算値を該時点までの燃料電池システム運転継続時間で除すことによって、該時点におけるイオン交換器１６を通過する冷却水の平均通水量を算出する。制御部３０は、上記算出を繰り返し行い、燃料電池システム運転中の各時点における平均通水量を算出している。
【００２６】
ここで、本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の軽負荷運転時において、イオン交換器１６を通過する冷却水量が減少し、その冷却水量が所定基準値を下回ったときの制御動作について説明する。
【００２７】
上述したとおり、冷却水循環ポンプ１４は、燃料電池１０とイオン交換器１６とに所定の割合で冷却水を供給しており、イオン交換器１６を通過する冷却水の量はポンプからの冷却水供給量に応じた量となる。ここで、イオン交換器１６を通過する冷却水の量が所定基準値を下回っている場合は、イオン交換器１６におけるイオン交換率が下がり、冷却水の導電率が高くなる。その結果、冷却水の電気的絶縁性が悪化してしまう。そのため、イオン交換器１６には所定基準値以上の冷却水を流しておく必要がある。
【００２８】
制御部３０は、車両運転中のある時点において、イオン交換器１６を通過する冷却水の平均通水量が基準値である４．２ｃｃ／秒を下回っていると判断したときは、該判断時点における平均通水量に応じて、冷却水循環ポンプ１４の最低回転数を上昇させ、ポンプから供給される冷却水を一定量以上にし、イオン交換器１６を通過する冷却水の平均通水量が基準値に近づくように制御する。そして、そのポンプ最低回転数を上昇させた状態を１０秒間だけ維持するように制御する。そのようにして、冷却水の導電率が高くなることを防止すると共に、ポンプの最低回転数を上昇させた状態を長時間継続させないため、冷却水循環ポンプ１４の無駄な電力消費の低減が図られる。
【００２９】
イオン交換器１６を通過する冷却水の平均通水量が基準値である４．２ｃｃ／秒以上である場合は、制御部３０は、燃料電池システムに要求される出力に応じて冷却水を供給するように冷却水循環ポンプ１４を制御する。燃料電池システムに要求される出力が増えると、それに応じてセルの発熱量が増加するため、燃料電池全体の発熱量が大きくなる。そうすると、燃料電池１０に供給する冷却水の量もそれに応じて増大させる必要がある。逆に、燃料電池システムに要求される出力が小さいときは、燃料電池１０に供給する冷却水の量は少なくて済む。
【００３０】
図２は、本実施形態における燃料電池システムに要求される出力とイオン交換器１６を通過する冷却水の平均通水量との関係を示す図である。図２に示すように、車両の軽負荷運転時においては、イオン交換器１６を通過する冷却水の平均通水量が基準値である４．２ｃｃ／秒を下回らないように制御される。
【００３１】
制御部３０は、上記判断時点における平均通水量が小さいほど、冷却水循環ポンプ１４の最低回転数が大きくなるように設定する。図３は、上記判断時点における平均通水量とそれに対応して設定される冷却水循環ポンプ１４の最低回転数との関係を示す一例である。図３を参照すると、上記判断時点における平均通水量が基準値である４．２ｃｃ／秒を下回っているときは、そのときの平均通水量が小さいほど、それに対応して設定されるポンプの最低回転数は大きくなっていることが分かる。
【００３２】
本実施形態においては、上記制御の実行に際して、冷却水の平均通水量４．２ｃｃ／秒を基準値とする態様であるが、該基準値は管理すべき冷却水の導電率に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００３３】
本実施形態においては、冷却水ポンプの最低回転数を上昇させたときは、その状態を１０秒間だけ維持するという態様としているが、ポンプの無駄な電力消費を防止するという目的を達成できる範囲内で種々の変更が可能であることは勿論である。
【００３４】
次に、制御部３０によって実行される冷却水循環ポンプ最低回転数制御について説明する。図４は、制御部３０によって実行される冷却水循環ポンプ最低回転数制御の一例を示すフローチャートである。
【００３５】
ステップＳ１０１においては、燃料電池システム運転中のある時点におけるイオン交換器１６を通過する冷却水の平均通水量が算出され、次のステップＳ１０２に進む。
【００３６】
ステップＳ１０２においては、該時点における平均通水量が所定基準値を下回っているか否かが判断され、平均通水量が所定基準値を下回っていると判断されたときは、次のステップＳ１０３に進む。平均通水量が所定基準値を下回っていないと判断されたときは、ステップＳ１０５に進む。本実施形態においては、平均通水量の所定基準値は４．２ｃｃ／秒に設定されている。
【００３７】
ステップＳ１０３においては、上記判断時点における平均通水量に応じて、冷却水循環ポンプ１４の最低回転数を上昇させ、その上昇させた状態を維持する。上述したとおり前記判断時点における平均通水量が小さいほど、冷却水循環ポンプ１４の最低回転数は大きくなるように設定される。
【００３８】
ステップＳ１０４においては、ステップＳ１０３でポンプの最低回転数を上昇させた状態が所定期間経過したか否かが判断され、所定期間が経過したと判断されたときは、ステップＳ１０１に戻り、上記冷却水循環ポンプ回転数制御が繰り返される。本実施形態においては、所定期間は１０秒に設定されている。
【００３９】
ステップＳ１０５においては、上記判断時点における平均通水量は所定基準値以上であるため、冷却水循環ポンプ最低回転数制御は終了する。
【００４０】
本実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを車両に搭載した例を中心に説明したが、これに限らず種々の変更が可能であることは勿論であり、例えば本発明に係る燃料電池システムを用いてコージェネレーションシステムを構成する態様であっても良い。
【００４１】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システム出力と冷却水の平均通水量との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る平均通水量と冷却水ポンプの最低回転数との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る制御部により実行される冷却水循環ポンプの最低回転数制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  燃料電池、１２  放熱器、１４  冷却水循環ポンプ、１６  イオン交換器、１８
冷却水流量計、２１  冷却水循環ポンプ出口流路、２２  燃料電池入口流路、２３  燃
料電池出口流路、２４  イオン交換器入口流路、２５  イオン交換器出口流路、２６  
放熱器入口流路、２７  放熱器出口流路、３０  制御部、４０  冷却装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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