(57)【要約】【課題】エネルギー効率よく速やかに燃料電池スタックを暖機させる。【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池スタック１を発電開始させて、燃料電池スタック１にて発電した電力を用いて駆動モータ２にトルクを発生させるのを開始する時に、制御ユニット１１により、燃料電池スタック１の温度に基づいた燃料電池スタック１の発電可能な電力よりも低い電力出力で燃料電池スタック１を発電させ、駆動モータ２の発熱により暖機された冷却水の熱を冷却水供給流路Ｌ１及びラジエタバイパス流路Ｌ２を介して燃料電池スタック１に送り、燃料電池スタック１を暖機させる。このとき、制御ユニット１１では、駆動モータ２の回転を停止させて、燃料電池スタック１の電力及びバッテリ３の電力を駆動モータ２に供給して、駆動モータ２の発熱を促す。【選択図】      図１
2004247164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにて発電した電力を用いて、トルクを発生させる電動機と、
前記燃料電池スタックに冷却水を供給して前記燃料電池スタックの温度調整をするスタック用冷却水循環手段と、
前記電動機に冷却水を供給して前記電動機の温度調整をする電動機用冷却水循環手段と、
前記燃料電池スタックを発電開始させる時に、前記燃料電池スタックの温度に基づいた前記燃料電池スタックの発電可能な電力よりも低い電力出力で前記燃料電池スタックを発電させ、前記電動機の発熱により暖められた冷却水の熱を前記電動機用冷却水循環手段から前記スタック用冷却水循環手段に送り、前記燃料電池スタックを暖機させる制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの発電可能な電力よりも低い電力を前記電動機で消費させて、前記電動機用冷却水循環手段の冷却水を暖めて、前記燃料電池スタックを暖機することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記電動機又は駆動出力軸を回転させないように制御して、前記電動機を発熱させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックを発電開始させる時に、前記燃料電池スタックにて発電した電力に加えて、二次電池に充電された電力を前記電動機に供給する制御をすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記二次電池の温度を検出し、当該二次電池の温度に基づいて前記二次電池から前記電動機に供給する放電量を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記二次電池の残容量を検出し、当該二次電池の残容量に基づいて前記二次電池から前記電動機に供給する放電量を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックに供給する冷却水温度を検出し、当該燃料電池スタックに供給する冷却水温度に基づいて前記二次電池の放電量を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックに供給する冷却水温度の上昇率を検出し、当該上昇率に基づいて前記二次電池の放電量を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記電動機に供給する冷却水温度を検出し、当該電動機に供給する冷却水温度に基づいて前記二次電池から前記燃料電池スタックに供給する放電量を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの温度が当該燃料電池スタックの耐熱温度よりも低い温度となるように、前記二次電池及び前記燃料電池スタックから前記電動機に供給する電力を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記電動機の温度が当該電動機の耐熱温度よりも低い温度となるように、前記二次電池及び前記燃料電池スタックから前記電動機に供給する電力を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記スタック用冷却水循環手段は、前記燃料電池スタックに供給する冷却水を冷却させるラジエタと、当該ラジエタをバイパスして前記燃料電池スタックに冷却水を供給するバイパス流路とを更に備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックを発電開始させる時に、冷却水を前記バイパス流路を通過させて前記燃料電池スタックに供給するように制御することを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記スタック用冷却水循環手段と、前記電動機用冷却水循環手段とが、冷却水流路を共有してなり、前記電動機用冷却水循環手段により前記電動機に供給された冷却水を前記スタック用冷却水循環手段を介して前記燃料電池スタックに供給して、前記燃料電池スタックを暖機することを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記スタック用冷却水循環手段と、前記電動機用冷却水循環手段とが、冷却水流路を独立してなり、前記電動機用冷却水循環手段により前記電動機に供給された冷却水と、前記スタック用冷却水循環手段により前記燃料電池スタックに供給する冷却水との間で熱交換して、前記燃料電池スタックを暖機することを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池スタックを発電開始するに際して、燃料電池スタックを暖機させるための燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば燃料電池スタックを発電開始するに際して、燃料電池スタックを暖機させるための手段を備えた燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムとしては、下記の特許文献１や特許文献２に記載された技術が知られている。
【０００３】
特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池や、モータといった発熱部から発生した熱を、冷却装置により作動最適温度に冷却すると共に、熱電変換素子にて熱を電力に変換して、当該電力を廃熱回収装置にて回収するようにしている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された技術は、バッテリの余熱を利用する電気自動車の冷却システムである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２３６６６号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平５−３４４６０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムでは、周囲が低温であるときに燃料電池スタックを起動する時には、燃料電池スタックの発電効率が良好でないために暖機が必要となるが、燃料電池スタック自身の発熱による暖機のみでは、最適な作動温度になるまでに多くの時間がかかってしまう。また、仮に燃焼機からの過熱されたガスにより暖機を行うとしても、排ガスに持ち出される熱エネルギーによってロスが発生してしまい、燃費の低下を招いてしまう懸念があった。
【０００８】
また、上述した特許文献２に記載された技術では、低温起動後に冷媒をバッテリーに送って加熱することで燃料電池スタックを暖機する技術が記載されているが、低温起動直後ではバッテリーも冷えた状態であるために、冷媒に熱を与えることが出来ないうえに、冷媒で冷やされるとバッテリーの効率が下がってしまい、燃費の低下を招いてしまう懸念があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、エネルギー効率よく速やかに燃料電池スタックを暖機させることができる燃料電池システムを提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池スタックを発電開始させて、燃料電池スタックにて発電した電力を用いて電動機にトルクを発生させるのを開始する時に、制御手段により、燃料電池スタックの温度に基づいた燃料電池スタックの発電可能な電力よりも低い電力出力で燃料電池スタックを発電させることで、余剰な電気化学反応によるエネルギーは熱となり、燃料電池スタックを内部から暖機しながら、電動機の発熱により暖機された冷却水の熱を電動機用冷却水循環手段からスタック用冷却水循環手段に送り、燃料電池スタックを暖機させることで、上述の課題を解決する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの起動時には、燃料電池スタックを低出力で発電させて、燃料電池スタック自身の発熱によって燃料電池スタックを内部から暖機するとともに、電動機にてエネルギー損失分を熱とし、発熱した電動機により暖められた冷却水によって燃料電池スタックを暖めることで、燃料電池スタックを暖機することにより、速やかに燃料電池スタックを暖機することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、エネルギーのロスが少なく、燃料電池スタックの暖機を促進することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。
【００１４】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、燃料電池スタック１に燃料ガスとして水素（あるいは水素リッチガス）を供給する水素供給系、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１に冷却水を供給する冷却水供給系を有し、燃料電池スタック１からの出力電力を駆動モータ２などの負荷や、燃料電池スタック１を発電させるための補機に供給して駆動するものである。なお、図１では、水素供給系、空気供給系の記載を省略して、主として冷却水供給系を示している。
【００１５】
燃料電池スタック１は、水素が供給される水素極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００１６】
このような燃料電池システムは、車両の動力源となる駆動モータ２が、燃料電池スタック１から電力の供給を受けて回転することにより、車両を走行させる。このとき、燃料電池システムでは、必要に応じてバッテリ３の放電を行い、駆動モータ２への電力を補助すると共に、駆動モータ２の回生によりエネルギーをバッテリ３に回収して充電させる。また、図示はしていないが、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１にて発電した電力を必要に応じてバッテリ３に充電させる。
【００１７】
燃料電池スタック１及び駆動モータ２を冷却するための冷却水供給系は、循環ポンプ４、第１三方弁５及び第１アクチュエータ６、ラジエタ７、第２三方弁８及び第２アクチュエータ９、冷却水温度センサ１０、燃料電池スタック１、駆動モータ２の順に冷却水を供給する冷却水供給流路Ｌ１を有している。また、この冷却水供給系は、循環ポンプ４から送出された冷却水をラジエタ７に導かずに第１三方弁５から第２三方弁８に導くラジエタバイパス流路Ｌ２を有している。なお、本例では、冷却水温度センサ１０を燃料電池スタック１の冷却水上流側に設けているが、必要に応じて駆動モータ２の冷却水上流側に設けても良い。
【００１８】
また、この燃料電池システムは、上述した各部を制御する制御ユニット１１を備えている。この制御ユニット１１は、燃料電池スタック１に発電をさせるに際して、燃料電池スタック１に要求される発電量に応じて水素供給系及び空気供給系を制御すると共に、燃料電池スタック１及びバッテリ３の出力制御をして、駆動モータ２の駆動量を制御する。
【００１９】
このとき、制御ユニット１１は、冷却水温度センサ１０からのセンサ信号を検出して冷却水温度を認識すると共に、燃料電池スタック１内の温度センサにて検出した温度及びバッテリ３内の温度センサにて検出した温度を認識する。そして、制御ユニット１１では、循環ポンプ４の回転数を制御すると共に、第１アクチュエータ６及び第２アクチュエータ９の動作を制御して、第１三方弁５及び第２三方弁８を開閉制御する。これにより、制御ユニット１１では、循環ポンプ４から送出された冷却水をラジエタ７に導いて冷却水温度を低下させる制御、循環ポンプ４から送出された冷却水をラジエタバイパス流路Ｌ２に導いて冷却水温度を低下させない制御の何れかをすることで、燃料電池スタック１の温度調整をする。なお、この制御ユニット１１による燃料電池スタック１の暖機制御処理の詳細については後述する。
【００２０】
［制御ユニット１１による暖機制御処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、制御ユニット１１により燃料電池スタック１を暖機して燃料電池スタック１を最適な作動温度とするときの第１暖機制御処理〜第３暖機制御処理について説明する。
【００２１】
「第１暖機制御処理」
第１暖機制御処理は、図２に示すように、例えば車両のＩＧＮスイッチが操作された後に例えば所定期間毎に実行し、先ずステップＳ１において、制御ユニット１１により、燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃを検出すると共に、冷却水温度センサ１０からのセンサ信号から冷却水温度Ｔｗｔを検出する。
【００２２】
次のステップＳ２においては、制御ユニット１１により、ステップＳ１にて検出した燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃが、燃料電池スタック１の最適作動温度Ｔ１より低く設定された温度Ｔ２（例えば、０℃）より低いか否かを判定することで、燃料電池スタック１の暖機運転を行うか否かを判定する。制御ユニット１１により、燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃが温度Ｔ２より低いと判定した場合には、ステップＳ３以降の暖機処理を行うと判定し、燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃが温度Ｔ２よりも低くないと判定した場合には暖機運転は行わずに処理を終了する。
【００２３】
次のステップＳ３においては、制御ユニット１１により、燃料電池スタック１の出力を制御する。このとき、制御ユニット１１は、ステップＳ１にて検出した燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃに基づいて図３に示すようなマップデータを参照して、燃料電池スタック１にて発電可能な電力を推定する。すなわち、制御ユニット１１では、燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃが低いほど、燃料電池スタック１の発電可能な電力が低くなるのに合わせて、水素供給量及び空気供給量を少なくするように水素供給系及び空気供給系を制御する。
【００２４】
次のステップＳ４においては、制御ユニット１１により、燃料電池スタック１にて発電させた電力及び／又はバッテリ３に充電した電力を駆動モータ２に供給して通電させる。ここで、駆動モータ２は、暖機運転時においては電力が供給されても回転できないように、制御ユニット１１によってブレーキ機構が制御されて固定されており、その結果、回転エネルギーが駆動力やモータの駆動損失によっては消費されない。これにより、駆動モータ２では供給された電力を熱として放出して、冷却水温度を上昇させる。また、制御ユニット１１では、駆動モータ２と接続した車両駆動出力軸を固定することで、駆動モータ２の回転を固定しても良い。
【００２５】
次のステップＳ５においては、制御ユニット１１により、循環ポンプ４の回転数を制御する。このとき、制御ユニット１１では、ステップＳ１にて検出した冷却水温度Ｔｗｔに基づいて図４に示すマップデータを参照して、設定した冷却水流量を保つためのポンプ回転数を制御する。すなわち、制御ユニット１１では、冷却水の温度が低いほど冷却水の粘度が大きくなるので、冷却水温度が低いほど、高い回転数にて循環ポンプ４を駆動する。これにより、制御ユニット１１では、冷却水温度に拘わらず、燃料電池スタック１に導く冷却水流量を一定とする。
【００２６】
次のステップＳ６においては、制御ユニット１１により、ステップＳ５にて制御した循環ポンプ４の回転数に従って冷却水を循環させることで、駆動モータ２から発生した熱量を冷却水に伝達して、燃料電池スタック１に伝える。
【００２７】
このような第１暖機制御処理を行う燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の低温起動時には、燃料電池スタック１を低出力で発電させて、駆動モータ２にてエネルギー損失分を熱とし、発熱した駆動モータ２により暖められた冷却水によって燃料電池スタック１を暖めることで、燃料電池スタック１を暖機することにより、速やかに燃料電池スタック１を暖機することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、エネルギーのロスが少なく冷却水をより早く温めることができ、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【００２８】
また、この燃料電池システムよれば、燃料電池スタック１の暖機時に、駆動モータ２を回転させないように制御することで、燃料電池スタック１から駆動モータ２に与えられた電力を駆動としてのエネルギーや駆動モータ２の駆動損失などで低減させることなく、全電力を熱として冷却水に与えることができるので、速やかに燃料電池スタック１を暖機することができる。
【００２９】
更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の低温起動時には冷却水がラジエタ７をバイパスするように制御することにより、暖機制御中にラジエタ７から放熱して、暖機のためのエネルギーをロスすることを防止できるため、速やかに燃料電池スタック１を暖機することができる。
【００３０】
更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１と駆動モータ２とで共有した冷却水供給流路Ｌ１を使用して燃料電池スタック１の暖機を行うことにより、簡素化したシステムであっても、速やかに燃料電池スタック１を暖機することができる。
【００３１】
「第２暖機制御処理」
つぎに、第２暖機制御処理について説明する。なお、上述の第１暖機制御処理と同様の処理については同一ステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００３２】
第２暖機制御処理では、図５に示すように、ステップＳ２にて暖機運転をすると判定した後のステップＳ１１において、制御ユニット１１により、バッテリ３のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）及びバッテリ３の温度を検出する。
【００３３】
次のステップＳ１２においては、制御ユニット１１により、ステップＳ１１にて検出したバッテリ３のＳＯＣが、バッテリ３のＳＯＣの下限レベルＬ１よりも高いか否かを判定することで、バッテリ３の電力を駆動モータ２に供給するか否かを判定する。制御ユニット１１では、検出したバッテリ３のＳＯＣが、下限レベルＬ１よりも高いと判定した場合にはバッテリ３の電力を使用して駆動モータ２に電力供給をすると判定してステップＳ３Ａに処理を進め、検出したバッテリ３のＳＯＣが、下限レベルＬ１よりも高くないと判定した場合には第１暖機制御処理と同様にステップＳ３Ｂ（上述のステップＳ３に相当）〜ステップＳ６の処理を行って処理を終了する。すなわち、バッテリ３のＳＯＣが、下限レベルＬ１よりも高くない場合には、バッテリ３の電力を使用せずに燃料電池スタック１にて発電した電力のみを駆動モータ２に供給して冷却水温度を上昇させて、燃料電池スタック１を暖機させる。
【００３４】
これに対し、上述のステップＳ３と同様の処理をステップＳ３Ａにて行った後のステップＳ１３においては、制御ユニット１１により、バッテリ３から駆動モータ２に出力する電力を制御する。このとき、制御ユニット１１は、ステップＳ１１にて検出したバッテリ３の温度に基づいて図６に示すようなマップデータを参照して、バッテリ３から出力する電力を制御する。すなわち、制御ユニット１１では、バッテリ３の温度が低いほど、バッテリ３から駆動モータ２に出力する電力を小さくするようにバッテリ３を制御する。
【００３５】
そして、次のステップＳ４においては、ステップＳ３Ａにて決定した燃料電池スタック１の出力電力を駆動モータ２に供給すると共に、ステップＳ１３にて決定したバッテリ３の出力電力を駆動モータ２に供給して、駆動モータ２を通電させて、第１暖機制御処理と同様にステップＳ５及びステップＳ６を行って処理を終了する。
【００３６】
このような第２暖機制御処理を行う燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１にて発電した電力のみならず、バッテリ３の電力をも駆動モータ２に供給することにより、第１暖機制御処理と比較して駆動モータ２の発熱量を増加させることができ、第１暖機制御処理と比較して速やかに燃料電池スタック１の暖機を行うことができる。
【００３７】
また、この第２暖機制御処理におけるステップＳ１３においては、バッテリ３の温度に基づいてバッテリ３の出力電力を制御する場合のみならず、制御ユニット１１により、ステップＳ１１にて検出したバッテリ３のＳＯＣに基づいて図７に示すマップデータを参照して、バッテリ３の出力電力を制御しても良い。すなわち、制御ユニット１１では、バッテリ３のＳＯＣが少ない場合ほど、バッテリ３からの出力電力を小さくする。これにより、燃料電池システムでは、バッテリ３のＳＯＣに応じて燃料電池スタック１の暖機に使用するバッテリ３の電力量を制御することができ、暖機運転から通常運転に移行した後であっても、暖機運転にて使用されずに残ったバッテリ３の電力を使用して、バッテリ３から駆動モータ２に電力供給をすることができる。
【００３８】
「第３暖機制御処理」
つぎに、第３暖機制御処理について説明する。なお、上述の暖機制御処理と同様の処理については同一ステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、この第３暖機制御処理では、上述した第２暖機制御処理に適用可能である。
【００３９】
この第３暖機制御処理では、図８に示すように、ステップＳ６の次のステップＳ２１において、制御ユニット１１により、ステップＳ１にて検出した冷却水温度Ｔｗｔが、燃料電池スタック１の耐熱温度Ｔ３よりも低く設定され、燃料電池スタック１が冷却水の熱により傷まない保証温度Ｔ４よりも小さいか否かを判定することで、バッテリ３からの電力出力を継続するか否かを判定する。
【００４０】
制御ユニット１１では、冷却水温度Ｔｗｔが保証温度Ｔ４よりも小さいと判定した場合には、バッテリ３からの電力出力を継続すると判定して、ステップＳ２２にてバッテリ３の出力制御を継続する一方で、冷却水温度Ｔｗｔが保証温度Ｔ４よりも小さくないと判定した場合には、バッテリ３からの電力出力を継続しないと判定して、ステップＳ２３にてバッテリ３からの電力出力を停止させる。
【００４１】
このような第３暖機制御処理を行う燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の耐熱温度Ｔ３よりも低い保証温度Ｔ４を設定することで、過度に温度が高い冷却水を燃料電池スタック１に供給することを防止して、燃料電池スタック１を熱により傷めることを防止することができる。
【００４２】
また、この第３暖機制御処理においては、ステップＳ２２にてバッテリ３からの出力電力を制御するに際して、ステップＳ１にて検出した冷却水温度Ｔｗｔに基づいて図９に示すようなマップデータを参照して、バッテリ３からの出力電力を制御しても良い。このとき、制御ユニット１１では、冷却水温度Ｔｗｔが高くなって保証温度Ｔ４に近づくほど、バッテリ３からの出力電力を低くする制御をする。
【００４３】
このような制御をした場合、冷却水温度Ｔｗｔが保証温度Ｔ４に達してバッテリ３の出力を停止した際、その後の冷却水の温度上昇を抑えることができる。その結果、上述の図８の制御を行った場合には保証温度Ｔ４を燃料電池スタック１の耐熱温度Ｔ３に対して余裕を持った低い値に設定する必要があるのに対して、保証温度Ｔ４を、燃料電池スタック１の耐熱温度Ｔ３により近い値を設定でき、冷却水温度が耐熱温度付近に至るまで、バッテリ３の電力出力により駆動モータ２が発生する熱を利用することができる。
【００４４】
更に、ステップＳ２２において、冷却水温度Ｔｗｔのみならず、微小な時間Δｔにおける冷却水温度の上昇率ΔＴｗｔに基づいて図１０に示すようなマップデータを参照して、バッテリ３の出力電力を制御しても良い。すなわち、制御ユニット１１では、冷却水温度Ｔｗｔが高くても上昇率ΔＴｗｔが低い場合には、バッテリ３の出力電力を低くしない。これにより、燃料電池システムでは、冷却水温度Ｔｗｔが高いときにバッテリ３の出力電力を低くする場合と比較して、バッテリ３からの出力電力を適切な電力量にして駆動モータ２に電力供給を行うことができ、更に燃料電池スタック１の暖機時間を短くすることができる。
【００４５】
更にまた、この第３暖機制御処理においては、燃料電池スタック１の耐熱温度Ｔ３が駆動モータ２の耐熱温度Ｔ５より低いという前提で冷却水温度を制御する一例について説明したが、駆動モータ２の耐熱温度Ｔ５が燃料電池スタック１の耐熱温度Ｔ３より低い場合には、燃料電池スタック１の耐熱温度Ｔ３に対する保証温度Ｔ４と同様に、駆動モータ２の耐熱温度Ｔ５よりも低い保証温度Ｔ６を設定しても良い。この場合、制御ユニット１１では、駆動モータ２入口側の冷却水温度Ｔｍｔを図示しない温度センサから検出して、駆動モータ２に供給される冷却水温度が保証温度Ｔ６よりも高くならないようにバッテリ３の出力制御を行うことで、駆動モータ２が高温となることによる劣化等を回避することができる。
【００４６】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４７】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図１１に示すように、燃料電池スタック１に挿通したスタック用冷却水供給流路Ｌ１１及び駆動モータ２に挿通したモータ用冷却水供給流路Ｌ１２を備えると共に、スタック用冷却水供給流路Ｌ１１を流れる冷却水とモータ用冷却水供給流路Ｌ１２を流れる冷却水との間で熱交換をする熱交換器２１を備える。
【００４８】
スタック用冷却水供給流路Ｌ１１は、スタック用循環ポンプ２２、熱交換器２１、第３三方弁２３及び第３アクチュエータ２４、スタック用ラジエタ２５、第４三方弁２６及び第４アクチュエータ２７、スタック用冷却水温度センサ２８、燃料電池スタック１の順に冷却水を供給する。また、このスタック用冷却水供給流路Ｌ１１には、熱交換器２１を通過した冷却水をスタック用ラジエタ２５に導かずに第３三方弁２３から第４三方弁２６に導くラジエタバイパス流路Ｌ１３を有している。
【００４９】
モータ用冷却水供給流路Ｌ１２は、モータ用循環ポンプ２９、熱交換器２１、第５三方弁３０及び第５アクチュエータ３１、モータ用ラジエタ３２、第６三方弁３３及び第６アクチュエータ３４、モータ用温度センサ３５、駆動モータ２の順に冷却水を供給する。また、このモータ用冷却水供給流路Ｌ１２には、駆動モータ２を通過した冷却水をモータ用ラジエタ３２に導かずに第５三方弁３０から第６三方弁３３に導くラジエタバイパス流路Ｌ１４を有している。
【００５０】
このように構成された燃料電池システムでは、燃料電池スタック１及び駆動モータ２がそれぞれ独立したスタック用冷却水供給流路Ｌ１１及びモータ用冷却水供給流路Ｌ１２を有する点で、上述した第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。この燃料電池システムでは、スタック用冷却水供給流路Ｌ１１とモータ用冷却水供給流路Ｌ１２とが共に熱交換器２１に挿通されていることで、熱交換器２１にて熱交換をして、燃料電池スタック１の暖機を行う。このとき、制御ユニット１１では、以下に説明するような暖機制御処理を実行する。
【００５１】
「暖機制御処理」
第２実施形態に係る燃料電池システムの制御ユニット１１では、図１２に示すように、先ず、ステップＳ３１において、燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃ、スタック用冷却水温度センサ２８からのセンサ信号に基づく燃料電池スタック１の冷却水入口における冷却水温度Ｔｗｔ１、モータ用温度センサ３５からのセンサ信号に基づく駆動モータ２の冷却水入口における冷却水温度Ｔｗｔ２を検出する。
【００５２】
次のステップＳ２においては、制御ユニット１１により、ステップＳ３１にて検出した燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃが、温度Ｔ２より低いか否かを判定することで、燃料電池スタック１の暖機運転を行うか否かを判定する。制御ユニット１１により、燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃが温度Ｔ２より低いと判定した場合には、ステップＳ３以降の暖機処理を行うと判定し、燃料電池スタック１の温度Ｔｆｃが温度Ｔ２よりも低くないと判定した場合には暖機運転は行わずにステップＳ３７に処理を進める。
【００５３】
次のステップＳ３２においては、制御ユニット１１により、バッテリ３のＳＯＣを検出して、ステップＳ３３において、検出したバッテリ３のＳＯＣが下限レベルＬ１よりも高いと判定した場合にはバッテリ３の電力を使用して駆動モータ２に電力供給をすると判定してステップＳ３Ａ及び例えば図６を参照したステップＳ１３の処理をしてステップＳ４に処理を進め、検出したバッテリ３のＳＯＣが、下限レベルＬ１よりも高くないと判定した場合にはステップＳ３Ｂの処理をしてステップＳ４に処理を進める。
【００５４】
そして、ステップＳ４にてステップＳ３Ａ及びステップＳ１３にて設定した燃料電池スタック１の発電量及びバッテリ３からの出力電力を駆動モータ２に通電させる制御、又はステップＳ３Ｂにて設定した燃料電池スタック１の発電量を駆動モータ２に通電させる制御をして、ステップＳ３５においては、制御ユニット１１により、スタック用冷却水供給流路Ｌ１１の冷却水を循環させるスタック用循環ポンプ２２及びモータ用冷却水供給流路Ｌ１２の冷却水を循環させるモータ用循環ポンプ２９のそれぞれの回転数を制御する。このとき、制御ユニット１１では、ステップＳ３１にて検出したスタック用冷却水供給流路Ｌ１１における冷却水温度Ｔｗｔ１に基づいて図４のマップデータを参照してスタック用循環ポンプ２２の回転数を制御すると共に、モータ用冷却水供給流路Ｌ１２における冷却水温度Ｔｗｔ２に基づいて図４のマップデータを参照してモータ用循環ポンプ２９の回転数を制御する。
【００５５】
次にステップＳ３６においては、ステップＳ３５にて制御したスタック用循環ポンプ２２及びモータ用循環ポンプ２９の回転数に従って、冷却水の循環を開始させる。
【００５６】
次のステップＳ３７及びステップＳ３８においては、制御ユニット１１により、バッテリ３から駆動モータ２への電力供給を継続するか否かを判定する。すなわち、ステップＳ３７においては、ステップＳ３１にて検出した冷却水温度Ｔｗｔ２が、駆動モータ２の耐熱温度Ｔ５に対する保証温度Ｔ６よりも高いか否かを判定し、更に、ステップＳ３８においては、ステップＳ３１にて検出した冷却水温度Ｔｗｔ１が、燃料電池スタック１が冷却水により傷まない補償温度Ｔ４よりも高いか否かを判定する。
【００５７】
冷却水温度Ｔｗｔ１が保証温度Ｔ６より低く且つ冷却水温度Ｔｗｔ２が保証温度Ｔ４より低い場合にはステップＳ２２に処理を進めて、バッテリ３から駆動モータ２への電力供給を継続し、冷却水温度Ｔｗｔ１が保証温度Ｔ６より高い場合又は冷却水温度Ｔｗｔ２が保証温度Ｔ４より高い場合にはステップＳ２３に処理を進めて、バッテリ３から駆動モータ２への電力供給を停止する。
【００５８】
［第２実施形態の効果］
このような第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１と駆動モータ２とでそれぞれがスタック用冷却水供給流路Ｌ１１及びモータ用冷却水供給流路Ｌ１２を有し、通常運転時において要求される冷却水温度が異なる場合においても、冷間暖機時において熱交換器２１などを介してバッテリ３にて暖機した冷却水を熱交換器２１を介して燃料電池スタック１側の冷却水を暖機することができ、速やかに燃料電池スタック１を暖機することができる。
【００５９】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによる第１暖機制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの温度と燃料電池スタックの発電量との関係を示す図である。
【図４】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水温度と循環ポンプの回転数との関係を示す図である。
【図５】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによる第２暖機制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、バッテリの温度とバッテリの放電量との関係を示す図である。
【図７】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、バッテリのＳＯＣとバッテリの放電量との関係を示す図である。
【図８】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによる第３暖機制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水温度とバッテリの放電量との関係を示す図である。
【図１０】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水温度及び冷却水温度の上昇率と、バッテリの放電量との関係を示す図である。
【図１１】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによる暖機制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  駆動モータ
３  バッテリ
４  循環ポンプ
５  第１三方弁
６  第１アクチュエータ
７  ラジエタ
８  第２三方弁
９  第２アクチュエータ
１０  冷却水温度センサ
１１  制御ユニット
２１  熱交換器
２２  スタック用循環ポンプ
２３  第３三方弁
２４  第３アクチュエータ
２５  スタック用ラジエタ
２６  第４三方弁
２７  第４アクチュエータ
２８  スタック用冷却水温度センサ
２９  モータ用循環ポンプ
３０  第５三方弁
３１  第５アクチュエータ
３２  モータ用ラジエタ
３３  第６三方弁
３４  第６アクチュエータ
３５  モータ用温度センサ
【図１】
2004247164.tif 000003
【図２】
2004247164.tif 000004
【図３】
2004247164.tif 000005
【図４】
2004247164.tif 000006
【図５】
2004247164.tif 000007
【図６】
2004247164.tif 000008
【図７】
2004247164.tif 000009
【図８】
2004247164.tif 000010
【図９】
2004247164.tif 000011
【図１０】
2004247164.tif 000012
【図１１】
2004247164.tif 000013
【図１２】
2004247164.tif 000014