(57)【要約】【課題】フラッディングの発生を防止し、パージのために消費される無駄な電力や燃料ガスを節約し、燃費性能を向上させる。【解決手段】通常制御の場合に、放熱器出口温度６２とバイパス流路温度６５からＦ／Ｆ関数テーブル１−５３により、スタック入口温度６４が燃料電池スタック１０の供給冷却水温度仕様になるような三方弁開度制御６３を出力することにより、冷却系温度制御を行なう。また、スタック入口温度６４に基づいてＦ／Ｂ関数テーブル５５により、三方弁開度制御６３を補正するように制御する。燃料電池の発電量が急激に低下する場合にはスタック温度低下フラグ５２をセットし、放熱器能力が向上する場合には冷却水温度低下フラグ５１をセットする。フラグ５１又は５２がセットされると、Ｆ／Ｆ関数テーブル２−５４を使うことにより、予め三方弁開度制御６３をバイパス流量が増加するように変化させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと放熱器との間で冷却水を循環させることにより燃料電池スタックを冷却する燃料電池の冷却装置において、
燃料電池スタックの温度変化要因を検出し、該検出された温度変化要因による温度変化を打ち消すように冷却能力を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
【請求項２】
前記燃料電池は車両に搭載された燃料電池であり、前記温度変化要因は、
燃料電池の発電量、車速の変化、または車両外部の環境変化の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記放熱器を通過する第１の冷却水流量と、該放熱器をバイパスする第２の冷却水流量とを任意の割合で変化させるバイパス制御手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記放熱器を通過する空気流量を変化させる空気流量制御手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記放熱器を通過する第１の冷却水流量と該放熱器をバイパスする第２の冷却水流量との割合を任意に変化させるバイパス制御手段と、該放熱器を通過する熱交換用の空気流量を変化させる空気流量制御手段とを備え、
前記検出した温度変化要因やその時間変化率に応じて、前記バイパス制御手段と前記空気流量制御手段とを使い分けて制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
【請求項６】
前記制御手段は、燃料電池スタックが低発熱時には、燃料電池スタック内の冷却水容量とほぼ同じ分量の冷却水を間欠的に循環させる冷却水ポンプ制御を行なうことを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却装置に係り、特に使用環境の変化が激しい車載用に好適な燃料電池の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。
【０００３】
この燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両が近年注目されている。すなわち、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
例えば、固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質の使用温度制限等により、運転温度が９０℃程度に制限されている。このため、燃料電池スタックと放熱器間に冷却水を循環させ、燃料電池スタックにおける反応熱をシステム外部へ放熱して運転温度を維持している。従来技術においては、冷却水温度を検出して、冷却水温度が制御範囲内となるように冷却装置の冷却能力を制御する単純なフィードバック制御を行っていた。
【０００５】
ところで、燃料電池に供給する燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（空気）の加湿量が多すぎたり、運転温度が低下したりすると、燃料電池スタック内部やその前後の配管に結露水が溜まり、反応ガスの流通を妨げるいわゆるフラッディング（水溢れ、水詰まり）が発生する。
【０００６】
フラッディングの発生を検知するには、スタック内の各セル毎の発電電圧値等を検出し、セル毎の電圧ばらつきや電圧値の時間微分等を求めることで、フラッディングが発生していると判断とするのが一般的である。
【０００７】
燃料電池にフラッディングが発生すると、一時的にアノードガス又はカソードガスの流量を増加して、これらのガスと一緒に結露した水分を燃料電池スタックから外部へ排出するパージを行って、フラッディング状態から回復させる必要がある。
【０００８】
フラッディングの抑制方法としては、例えば特許文献１記載の技術のように、アノードガス又はカソードガスの加湿量を減少させることで、フラッディングを抑制する方法が知られているが、冷却水を制御しフラッディングを抑制する方法は示されていない。
【０００９】
このように従来技術においては、燃料電池スタックの発熱量が低下したり、走行環境や気象条件等の変化で熱交換器の効率が向上したりして冷却水が冷えすぎた時に、燃料電池スタックの温度が低下し、加湿水蒸気や反応生成水の水蒸気が結露しやすくなり、フラッディングが発生し易くなっていた。
【００１０】
燃料電池にフラッディングが発生すると、燃料電池スタックからアノードガス又はカソードガスと一緒に結露した水分を排出するパージ動作により、フラッディング状態から回復させる必要がある。
【００１１】
フラッディングを抑制するために、冷却水は燃料電池スタックの運転上限温度で運転して飽和水蒸気量を高め、燃料電池スタック内の気体の温度を運転可能な最高温度付近で運転するのがフラッディングの抑制のためには理想的である。
【００１２】
しかし従来技術では、予め急な発熱状態への移行に対するマージンや、冷却水温度の変動を見越した温度設定を行なっていたので、燃料電池スタック出口側冷却水温度の場合には上限許容温度から１０℃程低い温度で運転していた。燃料電池スタック入口側の冷却水温度は、出口側より更に１０℃程度低温にしていた。この入口側温度と出口側温度の差は、燃料電池スタックから冷却水へ移る熱量に対応する。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−１４８２５３号公報（第６ページ、図１）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら車両の走行環境変化は大きく、例えば比較的暖かい長いトンネルを抜けて降雪地へ入ると、放熱器及び燃料電池スタック周辺を流れる外気の温度は急激に低下し、その低下幅も１０℃を超えることがある。さらに溶けた雪で濡れた放熱器から蒸発熱が奪われるために、放熱器の放熱能力が大幅に向上する。
【００１５】
このため、単純なフィードバック制御で温度制御する燃料電池の冷却装置では、車両環境が著しく変化して放熱器の能力が大幅に向上するような場合には、一時的に燃料電池スタックの温度が下がり、燃料電池スタック内部やその前後の配管に結露水が溜まり、反応ガスの流通を妨げるフラッディングが発生するという問題点があった。
【００１６】
フラッディングが発生すると、フラッディング状態から回復させるために、コンプレッサモータを回すための余計な電力を必要としたり、アノードガスを無駄に消費して燃費性能が低下するという問題点があった。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料電池スタックと放熱器との間で冷却水を循環させることにより燃料電池スタックを冷却する燃料電池の冷却装置において、燃料電池スタックの温度変化要因を検出し、該検出された温度変化要因による温度変化を打ち消すように冷却能力を制御する制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックの温度変化要因を検出して、この温度変化要因による温度変化を打ち消すように冷却装置の冷却能力を制御するので、燃料電池スタックの温度変化によるフラッディングの発生を効果的に防止し、コンプレッサの無駄な電力消費や燃費性能の低下を抑制することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１乃至図６は、本発明に係る燃料電池の冷却装置の第１実施形態を説明する図である。第１実施形態は、燃料電池スタックの温度変化要因を打ち消すように冷却能力を制御する制御手段として、放熱器を通過する第１の冷却水量と放熱器をバイパスする第２の冷却水量とを任意の割合で変化させるバイパス制御手段として流量調整三方弁を備えた実施形態である。
【００２０】
図１は燃料電池の冷却装置の構成図、図２は制御ブロック図、図３は定常時における燃料電池スタックの冷却水入口側と出口側温度の状態を示した図、図４は燃料電池スタック内部が低発熱状態になった時の燃料電池スタックの冷却水入口側と出口側温度の状態を示した図、図５は燃料電池スタック内部が低発熱状態になったときのフラッディングを抑制するための制御方法を示した図、図６は放熱器の環境変化により放熱性能が向上し、冷却水全体の温度が低下した時の、燃料電池スタックの冷却水入口側と出口側温度の状態を示した図である。
【００２１】
図１に示すように、この燃料電池の冷却装置は、冷却水と外気との熱交換により冷却水の熱を外部へ放出する放熱器１と、冷却水循環流路２と、放熱器１をバイパスする冷却水バイパス流路３と、冷却水循環ポンプ４と、冷却水循環ポンプ４を駆動するポンプモータ５と、ポンプモータ５を制御するポンプモータ制御ユニット６と、燃料電池本体である燃料電池スタック１０と、燃料電池スタックを１０を制御するスタック制御ユニット１１と、放熱器１を通過する第１の冷却水流量と冷却水バイパス流路３を流れる第２の冷却水流量とを任意の割合で変化させるバイパス制御手段である流量調整用三方弁１２と、三方弁１２の開度を調整する三方弁調整用モータ１３と、三方弁調整用モータ１３を制御する三方弁制御ユニット１４と、スタック入口側温度センサ（Ｔｉｎ  ）１５と、スタック出口側温度センサ（Ｔｏｕｔ）１６と、バイパス（ポンプ出口）温度センサ１７と、放熱器出口温度センサ１８と、車両電装コントロールユニット１９と、システム制御コンピュータ２１と、それぞれの構成要素とシステム制御コンピュータを結ぶ信号用ハーネス２０で構成されている。
【００２２】
スタック制御ユニット１１は、図外の車両駆動システムから要求発電量を受けて、燃料電池スタック１０へ供給する燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（空気）の圧力及び流量を制御すると共に、燃料電池スタック１０で発電される発電量の値をシステム制御コンピュータ２１に出力する。
【００２３】
システム制御コンピュータ２１は、スタック制御ユニット１１から発電量の値を入力すると、発電量が減少方向への変化であれば、後述するスタック温度低下フラグをセットする。
【００２４】
車両電装コントロールユニット１９は、ワイパー、ライト類、エアコンディショナー等の車両電装品を制御するコントローラである。車両電装コントロールユニット１９には、外気温センサ、照度センサ、日射センサ、雨滴センサ、ワイパースイッチ、ライトスイッチ等が接続されており、これらのセンサ類の検出信号やスイッチ類の選択ポジション信号に基づいて、車両外部の環境変化が放熱器１の放熱性能に影響する条件を検出する。この検出した条件が放熱器１の放熱性能を向上させる場合には、冷却水温度低下予測信号をシステム制御コンピュータ２１へ出力する。
【００２５】
システム制御コンピュータ２１は、車両電装コントロールユニット１９からの冷却水温度低下予測信号を入力すると、後述する冷却水温度低下フラグをセットする。
【００２６】
図２は、第１実施形態におけるシステム制御コンピュータ２１による燃料電池スタック入口の温度制御の制御ブロック図である。図２において、制御入力パラメータとして、車両電装コントロールユニット１９からの冷却水温度低下予測信号のよりセットされる冷却水温度低下フラグ５１，スタック制御ユニット１１からの発電量が低下するときにセットするスタック温度低下フラグ５２，放熱器出口温度センサ１８が検出する放熱器出口温度６２，バイパス温度センサ１７が検出するバイパス流路温度６５，スタック入口側温度センサ（Ｔｉｎ  ）が検出するスタック入口温度６４がある。スタック入口温度６４は、制御目標でもある。
【００２７】
制御対象としては、冷却水循環ポンプ４の回転数を制御する冷却水ポンプ回転数制御６１，流量調整三方弁１２の開度を制御する三方弁開度制御６３がある。これら制御対象の制御目標値を演算するための関数テーブルとして、Ｆ／Ｆ関数テーブル１−５３，Ｆ／Ｆ関数テーブル２−５４，Ｆ／Ｂ関数テーブル５５を備えている。
【００２８】
次に、第１実施形態におけるフラッディング抑制制御方法を、図１と図２を用いて説明する。システム制御コンピュータ２１は、通常制御の場合に、放熱器出口温度センサ１８とバイパス温度センサ１７から検出値を入力し、所定のフィードフォワード関数テーブルであるＦ／Ｆ関数テーブル１−５３により、スタック入口温度６４が燃料電池スタック１０の供給冷却水温度仕様になるような流量調整三方弁１２の開度を決定し、流量調整三方弁制御ユニット１４へ出力することにより、冷却系温度が一定になるように制御を行なう。
【００２９】
また、スタック入口側温度センサ（Ｔｉｎ  ）１５よりスタック入口温度６４を入力し、所定のフィードバック関数テーブルであるＦ／Ｂ関数テーブル５５により、流量調整三方弁１２の開度を補正するように制御する。この制御が働いている場合であり、なおかつ燃料電池スタック１０が一定の発熱状態にある時には、燃料電池スタック１０の入口側と出口側温度の関係は図３のようになる。
【００３０】
ここで、燃料電池スタック１０の発電量が急激に低下し、燃料電池スタック１０が低発熱状態となる場合の燃料電池スタック入口側と出口側の温度の関係を示すと図４のようになる。スタック入口側温度は変化無く一定の状態であっても、燃料電池スタック１０の内部における熱交換量が減少するため、スタック出口側温度が低下し、燃料電池スタック１０内部でフラッディングが発生しやすい状態になっている。
【００３１】
この場合には、予めスタック制御コントロールユニット１１等から、発電状態の情報を得ることで、発電量の変化量と発電量の時間変化率を求めるなどして発熱状態の推定を行なう。その結果、燃料電池スタック１０の温度の低下が予想される場合、スタック温度低下フラグ５２をセットし、所定のフィードフォワード関数テーブルであるＦ／Ｆ関数テーブル２−５４を使うことにより、予め流量調整三方弁１２の開度を変化させる。この流量調整三方弁１２の開度変化は、放熱器１を通過する冷却水の流量を減少させ、バイパス流路３を通過する冷却水の流量を増加させることにより、燃料電池スタック入口の冷却水温度を上昇させる制御方法である。このとき、燃料電池スタック１０の入口側と出口側温度の関係は図５のようにスタック出口温度一定になる。
【００３２】
ところで放熱器１の外部環境が急激に変化し、降雨（降雪）の開始や、外気温度の急低下、車速の増加等が生じると、放熱器１の放熱能力が急上昇し、図６のように燃料電池スタック入口側と出口側温度は共に低下する。これにより燃料電池スタック１０内部で結露が発生し易くなり、故にフラッディングを発生させる要因になる。
【００３３】
このような燃料電池スタック１０の温度変化要因としての放熱器１の外部環境変化は、車両電装コントロールユニット１９からのワイパー作動状態、ライト点滅状態、日照センサからの情報、外気温度センサから情報、車速センサからの情報等により検出可能である。
【００３４】
放熱器１の環境による燃料電池スタック１０の温度変化要因は、温度低下要因と温度上昇要因とに分けることができる。温度低下要因は、降水（降雨、降雪）の開始、日照の陰りや日没、外気温度の低下、車速の増加等である。降水の開始はワイパー作動開始、日照の陰りは日照センサやライト点灯開始、外気温度の低下は外気温度センサから、それぞれ車両電装コントロールユニット１９が検出して、システム制御コンピュータ２１へ出力可能である。
【００３５】
逆に温度上昇要因としては、降水（降雨、降雪）の終了、日照の開始、外気温度の上昇、車速の減少等である。降水の終了はワイパー作動停止、日照の開始は日照センサやライト消灯、外気温度の上昇は外気温度センサから、それぞれ車両電装コントロールユニット１９が検出して、システム制御コンピュータ２１へ出力可能である。
【００３６】
システム制御コンピュータ２１は、燃料電池スタック１０の温度低下要因を検出したと判断した場合、冷却水温度低下フラグ５１をセットする。冷却水温度低下フラグ５１がセットされた状態では、図２の制御ブロックは、所定のフィードフォワード関数テーブルであるＦ／Ｆ関数テーブル２−５４を使うことにより、予め三方弁開度を変化させたり、冷却水循環ポンプの回転を変化させたりし、燃料電池スタック入口の冷却水温度を一定に保つように制御する。
【００３７】
この場合の燃料電池スタック１０の入口側と出口側温度の関係は、燃料電池スタック１０の発熱状態が一定であれば、図３に示した定常時の状態と同じようになる。
【００３８】
以上説明した第１実施形態によれば、放熱器を通過する第１の冷却水量と放熱器をバイパスする第２の冷却水量とを任意の割合で変化させるバイパス制御手段を備えたことで、一時的に応答性よく冷却水温度を上昇させることができ、燃料電池スタック内温度が低下することなく、フラッディングの発生を抑制することができるという効果がある。
【００３９】
〔第２実施形態〕
次に、図７及び図８を参照して、本発明に係る燃料電池の冷却装置の第２実施形態を説明する。図７は、第２実施形態における冷却装置の構成図、図８は、制御ブロック図である。第２実施形態は、燃料電池スタックの温度変化要因を打ち消すように冷却能力を制御する制御手段として、放熱器を通過する熱交換用の空気流量を変化させる空気流量制御手段である冷却ファンを備えた実施形態である。
【００４０】
図７に示すように、この燃料電池の冷却装置は、冷却水と外気との熱交換により冷却水の熱を外部へ放出する放熱器１と、冷却水循環流路２と、冷却水循環ポンプ４と、冷却水循環ポンプ４を駆動するポンプモータ５と、ポンプモータ５を制御するポンプモータ制御ユニット６と、放熱器１を通過する空気流量を制御する冷却ファン７と、冷却ファン７を回転駆動する冷却ファンモータ８と、冷却ファンモータ８の回転速度を制御する冷却ファンモータ制御ユニット９と、燃料電池本体である燃料電池スタック１０と、燃料電池スタックを１０を制御するスタック制御ユニット１１と、スタック入口側温度センサ（Ｔｉｎ  ）１５と、スタック出口側温度センサ（Ｔｏｕｔ）１６と、放熱器出口温度センサ１８と、車両電装コントロールユニット１９と、システム制御コンピュータ２１と、冷却ポンプ出口温度センサ２２と、それぞれの構成要素とシステム制御コンピュータを結ぶ信号用ハーネス２０と、で構成されている。
【００４１】
第１実施形態の構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付与している。尚、冷却ポンプ出口温度センサ２２は、第１実施形態のバイパス温度センサ１７に相当するものである。
【００４２】
図８は、第２実施形態におけるシステム制御コンピュータ２１による燃料電池スタック入口の温度制御の制御ブロック図である。図８において、制御入力パラメータとして、車両電装コントロールユニット１９からの冷却水温度低下予測信号のよりセットされる冷却水温度低下フラグ５１，スタック制御ユニット１１からの発電量が低下するときにセットするスタック温度低下フラグ５２，スタック出口側温度センサ（Ｔｏｕｔ）１６が検出するスタック出口温度６０，スタック入口側温度センサ（Ｔｉｎ  ）が検出するスタック入口温度６４がある。スタック入口温度６４は、制御目標でもある。
【００４３】
制御対象としては、冷却水循環ポンプ４の回転数を制御する冷却水ポンプ回転数制御６１，冷却ファン７の速度を制御する冷却ファン速度制御６６がある。これら制御対象の制御目標値を演算するための関数テーブルとして、Ｆ／Ｆ関数テーブル５８，Ｆ／Ｂ関数テーブル５５を備えている。
【００４４】
次に、第２実施形態におけるフラッディング抑制制御方法を、図７と図８を用いて説明する。システム制御コンピュータ２１は、通常制御の場合にスタック入口温度６４を検出し、所定のフィードバック関数テーブルであるＦ／Ｂ関数テーブル５５により、スタック入口温度６４が燃料電池スタック１０の冷却水温度仕様になるように放熱器１の通過風量を決定し、冷却系温度が一定になるように冷却ファン７の速度制御を行なう。この制御が働いている場合で、なおかつ燃料電池スタック１０が一定の発熱状態にある時には、燃料電池スタック１０の入口側と出口側温度の関係は図３のようになる。
【００４５】
ここで、燃料電池スタック１０の発電量が急激に低下し、燃料電池スタック１０が低発熱状態となる場合の燃料電池スタック入口側と出口側の温度の関係を示すと図４のようになる。スタック入口側温度は変化無く一定の状態であっても、燃料電池内部で熱交換が余り行なわれなくなるため、スタック出口側温度が低下し、燃料電池スタック１０内部でフラッディングが発生しやすい状態になっている。
【００４６】
この場合には、予め燃料電池スタック制御コントロールユニット１１等から、発電状態の情報を得ることで発電量の変化量と変化率を求めるなどして発熱状態の推定を行ない、燃料電池スタック温度の低下が予想される場合には、スタック温度低下フラグ５２をセットして、所定のフィードフォワード関数テーブルであるＦ／Ｆ関数テーブル５８を使うことにより、予め放熱器１の通過風量を冷却ファン７により変化させて、燃料電池スタック入口の冷却水温度を上昇させる制御方法であり、燃料電池スタック１０の入口側と出口側温度の関係は図５のようになる。
【００４７】
放熱器１の環境が急激に変化すると、図６のように燃料電池スタック入口側と出口側温度は共に低下する。このため、燃料電池スタック内部で結露が発生し易くなり、故にフラッディングを発生させる。放熱器１の環境変化は、第１実施形態と同様に車両電装コントロールユニット１９からの情報で各パラメータの変化量や変化率を求めたりして、低温になる状態と判断すると、冷却水温度低下フラグ５１をセットし、所定のフィードフォワード関数テーブルであるＦ／Ｆ関数テーブル５８を使うことにより、予め放熱器１の通過風量を変化させたり、冷却水循環ポンプ４の回転を変化させたりして、燃料電池スタック入口の冷却水温度を一定に保つように制御する。この場合の燃料電池スタック１０の入口側と出口側温度の関係は図３に示した定常時の状態と同じようになる。
【００４８】
以上説明した第２実施形態によれば、放熱器を通過する空気流量を変化させる空気流量制御手段を備えたので、燃料電池スタックの温度変化要因を検出したとき、該温度変化要因が温度低下要因であれば、放熱器を通過する空気流量を少なくすることで、燃料電池スタックに流入する冷却水の温度を一時的に上昇させることができ、燃料電池スタック内温度が低下することなく、フラッディングの発生を抑制することができるという効果がある。
【００４９】
〔第３実施形態〕
次に、図９及び図１０を参照して、本発明に係る燃料電池の冷却装置の第３実施形態を説明する。図９は、第３実施形態における冷却装置の構成図、図１０は、制御ブロック図である。第３実施形態は、第１実施形態の三方弁によるバイパス制御と、第２実施形態の冷却ファンによる放熱器通過風量の制御とを兼ね備えた実施形態である。
【００５０】
第１実施形態に用いた冷却水のバイパス制御手段は、応答性良く冷却水温度上昇を実現することができるが、バイパス流路は熱変換が発生せず、冷却水循環ポンプにとっては単に圧力損失要因になっており、エネルギ利用からみると効率的ではない。これに対して第２実施形態で用いた熱交換器を通過する空気の空気流量制御手段としての冷却ファンの回転数制御は、回転数を低下させて冷却水温度の上昇を実現できるが、応答性はバイパス流路による昇温方法には及ばない。
【００５１】
従って、第３実施形態では、これらバイパス制御手段と空気流量制御手段とを冷却能力制御手段として兼ね備えることにより、バイパス流路により十分な応答性を有し、ゆっくりとした温度上昇の要求には、冷却ファンの回転を減らすことで電力消費を最小にする機能を有する燃料電池の冷却装置である。
【００５２】
図９に示すように、第３実施形態の燃料電池の冷却装置は、冷却水と外気との熱交換により冷却水の熱を外部へ放出する放熱器１と、冷却水循環流路２と、放熱器１をバイパスする冷却水バイパス流路３と、冷却水循環ポンプ４と、冷却水循環ポンプ４を駆動するポンプモータ５と、ポンプモータ５を制御するポンプモータ制御ユニット６と、放熱器１を通過する空気流量を制御する冷却ファン７と、冷却ファン７を回転駆動する冷却ファンモータ８と、冷却ファンモータ８の回転速度を制御する冷却ファンモータ制御ユニット９と、燃料電池本体である燃料電池スタック１０と、燃料電池スタックを１０を制御するスタック制御ユニット１１と、放熱器１を通過する第１の冷却水流量と冷却水バイパス流路を流れる第２の冷却水流量との割合を任意に調整する流量調整用三方弁１２と、三方弁１２の開度を調整する三方弁調整用モータ１３と、三方弁調整用モータ１３を制御する三方弁制御ユニット１４と、スタック入口側温度センサ（Ｔｉｎ  ）１５と、スタック出口側温度センサ（Ｔｏｕｔ）１６と、バイパス（ポンプ出口）温度センサ１７と、放熱器出口温度センサ１８と、車両電装コントロールユニット１９と、システム制御コンピュータ２１と、それぞれの構成要素とシステム制御コンピュータを結ぶ信号用ハーネス２０で構成されている。
【００５３】
図１０は、第３実施形態におけるシステム制御コンピュータ２１による燃料電池スタック入口の温度制御の制御ブロック図である。図１０において、制御入力パラメータとして、車両電装コントロールユニット１９からの冷却水温度低下予測信号のよりセットされる冷却水温度低下フラグ５１，スタック制御ユニット１１からの発電量が低下するときにセットするスタック温度低下フラグ５２，スタック出口側温度センサ（Ｔｏｕｔ）１６が検出するスタック出口温度６０，放熱器出口温度センサ１８が検出する放熱器出口温度６２，バイパス温度センサ１７が検出するバイパス流路温度６５，スタック入口側温度センサ（Ｔｉｎ）が検出するスタック入口温度６４がある。スタック入口温度６４は、制御目標でもある。
【００５４】
制御対象としては、冷却水循環ポンプ４の回転数を制御する冷却水ポンプ回転数制御６１，冷却ファン７の速度を制御する冷却ファン速度制御６６、流量調整三方弁１２の開度を制御する三方弁開度制御６３がある。これら制御対象の制御目標値を演算するための関数テーブルとして、Ｆ／Ｆ関数テーブル１−５３、Ｆ／Ｆ関数テーブル２−５４、Ｆ／Ｂ関数テーブル１−５６、Ｆ／Ｂ関数テーブル２−５７を備えている。
【００５５】
第３実施形態におけるフラッディング抑制制御方法を、図９と図１０を用いて説明する。システム制御コンピュータ２１は、通常制御の場合には、第１実施形態と第２実施形態の場合と同様に、バイパス温度センサ１７と放熱器出口温度センサ１８の検出値を入力し、フィードフォワード制御にて流量調整三方弁１２の開度を変化させることで温度調整を行なうのと同時に、放熱器出口温度センサ１８の検出値から冷却ファン７の回転制御をすることで、放熱器１の通過風量制御を行なう。その上で、スタック入口側温度センサ１６の検出値に基づいてフィードバック制御により補正を行なう。これらの制御が働いている場合で、その上燃料電池スタック１０が一定の発熱状態にある時には、燃料電池スタック１０の入口側と出口側温度の関係は第１実施形態及び第２実施形態と同様に、図３のようになる。
【００５６】
燃料電池スタック１０の発電量が急激に低下し、燃料電池スタック１０が低発熱状態となる場合や、放熱器１の環境の変化により冷却水温度が急激に低下する状態においての制御方法も第１実施形態や第２実施形態の対応と同様にフィードフォワード制御により、燃料電池スタック１０が低温になる状態を予め推定し冷却水の低下を抑制することができる。
【００５７】
ところで、本第３実施形態は第２実施形態例に比べて冷却水バイパス流路３を使った温度制御と放熱器１の通過風量制御との双方を併用することで、冷却水の温度変化量も大きくとることができ、且つ温度変化に対する応答性も良好となっている。
【００５８】
冷却水温度を自由度高く管理できれば、燃料電池スタック１０が低発熱状態においてしかも十分に燃料電池スタック１０の温度が冷却水温度に近づいた（抜熱された）状態では、暫く冷却水循環ポンプを運転しては止めることを繰り返す、冷却水循環ポンプの間欠運転を行うこともできる。この場合、冷却水ポンプ停止分だけ省電力とすることができる。
【００５９】
この冷却水循環ポンプの間欠運転のためには、スタック入口側温度センサ１５とスタック出口側温度センサ１６の検出値に基づいて、燃料電池スタック入口側と出口側の温度差を温度比較６７で比較し、所定の値より小さくなれば燃料電池スタック１０は十分に抜熱されていると判断する。そして十分抜熱されていると判断した場合、冷却水ポンプ回転数制御６１は、燃料電池スタック１０内の冷却水量とほぼ同じ分量だけの冷却水を冷却水循環ポンプ４から吐出しては一時停止を繰り返す間欠運転を行う。
【００６０】
本実施形態によれば、燃料電池スタックが低発熱状態になった時に、間欠的に燃料電池スタック内の冷却水容量とほぼ同じ分量の冷却水を燃料電池スタックに送り込むことによって、連続的にゆっくりと冷却水を燃料電池スタックに送り込む場合に比べて、単位時間辺り同じ流量であっても間欠的にすばやく燃料電池スタック出口周辺部分に、低温の冷却水を送りこむことができる。
【００６１】
従って燃料電池スタックの構成要素から冷却水に熱交換させる時間が減り、燃料電池スタック出口側により低温の冷却水を送り込むことができるようになる。燃料電池スタック出口側の冷却水が低くなれば、より高い温度で冷却水を供給することができ、これはすなわち燃料電池スタック冷却水入口側温度を高くすることであって、入口周辺部分でのフラッディングの発生を抑制することになる。更に連続的に高い温度で冷却水を燃料電池スタックに送り込む方法に比べては、間欠的に循環ポンプを作動させることで、循環ポンプが停止している分だけの電力消費を抑制することもできる。
【００６２】
これにより、燃料電池スタック１０から冷却水への十分な熱交換による燃料電池スタックの適温制御の効果と、高温度の冷却水の供給によるフラッディング抑制の効果と、一時的に冷却水循環ポンプの運転を止めることでの電力消費を削減する効果とを同時に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の冷却装置の第１実施形態の構成図である。
【図２】第１実施形態の制御ブロック図である。
【図３】定常時における燃料電池スタックの冷却水入口側と出口側温度の状態を示した図である。
【図４】燃料電池スタック内部が低発熱状態になった時の燃料電池スタックの冷却水入口側と出口側温度の状態を示した図である。
【図５】燃料電池スタック内部が低発熱状態になったときのフラッディングを抑制するための制御方法を示した図である。
【図６】放熱器の環境変化により放熱性能が向上し、冷却水全体の温度が低下した時の、燃料電池スタックの冷却水入口側と出口側温度の状態を示した図である。
【図７】本発明に係る燃料電池の冷却装置の第２実施形態の構成図である。
【図８】第２実施形態の制御ブロック図である。
【図９】本発明に係る燃料電池の冷却装置の第３実施形態の構成図である。
【図１０】第３実施形態の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１…放熱器
２…冷却水循環流路
３…冷却水バイパス流路
４…冷却水循環ポンプ
５…ポンプモータ
６…ポンプモータ制御ユニット
７…冷却ファン
８…冷却ファンモータ
９…冷却ファンモータ制御ユニット
１０…燃料電池スタック
１１…スタック制御ユニット
１２…流量調整三方弁
１３…流量調整三方弁モータ
１４…流量調整三方弁制御ユニット
１５…スタック入口側温度センサ
１６…スタック出口側温度センサ
１７…バイパス温度センサ
１８…放熱器温度センサ
１９…車両電装コントロールユニット
２０…信号用ハーネス
２１…システム制御コンピュータ
２２…冷却ポンプ出口温度センサ
【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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【図９】
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【図１０】
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