(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの発熱量、冷却水温度、ガス温度の変化に対して、的確に冷却水温度の制御を行う。【解決手段】コントローラ１８により、推定されたラジエタ２１の放熱量から燃料電池スタックの発熱量を減算した熱量差が所定量よりも大きい場合には、燃料電池冷却水放熱装置を通過した冷却水をバイパス流路Ｌ８に導くことで、放熱量が発熱量よりも大きい場合に燃料電池スタック１に冷却水を供給しないようにして、冷却水温度を所望の温度とするように第１三方弁２４及び第２三方弁２５を制御する。【選択図】      図１
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【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燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムの制御装置であって、
上記燃料電池スタックの目標発電量又は実発電量に基づいて、上記燃料電池スタックの発熱量を推定する燃料電池発熱量推定手段と、
上記燃料電池スタックに供給する冷却液の温度を調整する燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を推定する冷却水放熱量推定手段と、
上記燃料電池冷却水放熱装置を通過した冷却液を、上記燃料電池スタックに導く冷却水供給流路、又は上記燃料電池スタックに供給せずにバイパスするバイパス流路に導くバイパス用三方弁を駆動するバイパス用三方弁駆動手段と、
上記冷却水放熱量推定手段により推定された放熱量から上記燃料電池発熱量推定手段により推定された上記燃料電池スタックの発熱量を減算した熱量差が所定量よりも大きい場合には、上記燃料電池冷却水放熱装置を通過した冷却水をバイパス流路に導いて冷却水温度を所望の温度とするように上記バイパス用三方弁駆動手段を制御す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の制御装置。
【請求項２】
上記燃料電池スタックの冷却水入口における冷却水温度を検出する燃料電池スタック入口冷却水温度検出手段と、
上記燃料電池スタックに流入する加湿器出口のガスの温度を検出する加湿器出口ガス温度検出手段とを更に有し、
上記制御手段は、上記燃料電池スタック入口冷却水温度検出手段により検出した燃料電池スタック入口冷却水温度が、上記加湿器出口ガス温度検出手段により検出したガス温度から所定温度以上を下回った場合には、上記燃料電池冷却水放熱装置を通過した冷却水をバイパス流路に導いて冷却水温度を所望の温度とするように上記バイパス用三方弁駆動手段を制御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の制御装置。
【請求項３】
上記加湿器出口ガス温度検出手段は、上記燃料電池スタックに供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿する加湿器出口のガス温度を、加湿器入口の加湿用純水温度に基づいて推定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の制御装置。
【請求項４】
上記制御手段は、上記燃料電池スタック入口冷却水温度検出手段により検出した冷却水温度が所定温度以上である場合には、上記燃料電池発熱量推定手段の出力に基づいて上記バイパス用三方弁の開度を算出し、上記燃料電池冷却水放熱装置を通過して上記冷却水供給流路に導く冷却水流量と、上記バイパス流路に導く冷却水流量とを調整するように上記バイパス用三方弁駆動手段を制御することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
上記燃料電池冷却水放熱装置での放熱量を低下させるグリルフィン駆動手段を有し、
上記制御手段は、上記バイパス用三方弁駆動手段により冷却水を上記バイパス流路に導く場合に、上記バイパス用三方弁駆動手段により冷却水をバイパス流路に導いている間に、上記グリルフィン駆動手段により上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を低下させて冷却水温度を所望とする温度に制御することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
上記制御手段は、上記燃料電池スタック入口冷却水温度検出手段により検出した上記燃料電池スタック入口の冷却水温度と、加湿器入口の加湿用純水温度との温度差が所定値を上回っている場合には、上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を低下させないように上記グリルフィン駆動手段を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
上記燃料電池スタック出口の冷却水温度を検出する燃料電池スタック出口冷却水温度検出手段を更に有し、
上記制御手段は、上記燃料電池スタック出口冷却水温度検出手段により検出した冷却水温度が所定温度以上である場合には、上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を低下させないように上記グリルフィン駆動手段を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項８】
エンジンコントロールルーム内の温度を検出する温度検出手段を有し、
上記制御手段は、上記温度検出手段により検出した温度が所定温度以上である場合で、且つ、上記冷却水放熱量推定手段の出力に基づき上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量が所定量以下である場合には、上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を低下させないように上記グリルフィン駆動手段を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項９】
上記燃料電池冷却水放熱装置及びグリルフィン駆動手段が上記燃料電池スタックを冷却する冷却水用と、その他部品冷却水用に分割されている場合において、
上記制御手段は、上記温度検出手段により検出した温度が所定温度以上である場合で、かつ、上記冷却水放熱量推定手段の出力に基づき上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量が所定量以下である場合には、上記グリルフィン駆動手段のみ使用して上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を低下させることを特徴とする請求項５〜請求項８の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項１０】
上記制御手段は、上記燃料電池発熱量推定手段の出力に基づき、燃料電池発熱量が急低下した場合にのみ、上記燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を低下させるように上記グリルフィン駆動手段を制御することを特徴とする請求項５〜請求項７の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両等に搭載された燃料電池スタックを発電制御するに際して、燃料電池スタックに供給する冷却水温度を調整する燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池スタックを起動して発電を開始させるとき、特に低温起動時において、燃料電池スタックに供給する冷却水をラジエタからバイパスし、更にラジエタバイパス用冷却水流路に設けた加熱部により冷却水を加熱して、燃料電池スタックを加熱することにより暖機促進を行なう燃料電池システムの制御装置が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２４６０５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムの制御装置では、ラジエタバイパス用冷却水流路に設けた加熱部の使用条件を低温起動時及び停止時としており、暖機運転が終了し燃料電池スタックに供給する冷却水が所望とする温度以上となっていても、燃料電池スタックの発熱量が急激に低下するような場合や、ラジエタ放熱量より燃料電池発熱量が大きい状態が所定時間継続するような場合には、燃料電池冷却水温度は低下し、燃料電池スタック内に凝縮水が生成されやすい状況に陥ってしまうという問題点があった。
【０００５】
また、燃料電池システムでは、燃料電池に供給する冷却水温度が、加湿器出口空気温度又は当該空気温度とほぼ等価温度である加湿器入口純水温度を下回った場合にも、燃料電池スタック内に凝縮水が生成されやすい状況に陥ってしまうという問題点があった。
【０００６】
さらに、従来の燃料電池システムでは、燃料電池に供給する冷却水の加熱ヒータを必要としているため、システムとして高価なものとなってしまうという問題点もあった。
【０００７】
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、燃料電池スタックの発熱量の変化や、燃料電池スタック入口の冷却水温度及び加湿器出口のガス温度の変化に対して、的確に冷却水温度の制御を行うことができる燃料電池システムの制御装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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させる燃料電池システムの制御装置に適用され、燃料電池スタックを安定して動作させるために、冷却水の温度を調整するに際して、燃料電池発熱量推定手段により燃料電池スタックの目標発電量又は実発電量に基づいて、燃料電池スタックの発熱量を推定すると共に、冷却水放熱量推定手段により燃料電池スタックに供給する冷却液の温度を調整する燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を推定し、バイパス用三方弁駆動手段を制御して、燃料電池冷却水放熱装置を通過した冷却液を、燃料電池スタックに導く冷却水供給流路、又は燃料電池スタックに供給せずにバイパスするバイパス流路に導くバイパス用三方弁を駆動させる。
【０００９】
このとき、本発明では、制御手段により、冷却水放熱量推定手段により推定された放熱量から燃料電池発熱量推定手段により推定された燃料電池スタックの発熱量を減算した熱量差が所定量よりも大きい場合には、燃料電池冷却水放熱装置を通過した冷却水をバイパス流路に導くことで、放熱量が発熱量よりも大きい場合に燃料電池スタックに冷却水を供給しないようにして、冷却水温度を所望の温度とするようにバイパス用三方弁駆動手段を制御することで、上述の課題を解決する。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックの発熱量及び燃料電池冷却水放熱装置の放熱量を推定し、燃料電池発熱量と放熱量との熱量差が所定量より大きい場合には、燃料電池冷却水放熱装置を通過した冷却水を燃料電池スタックには供給せずにバイパス流路に導くようにしたので、燃料電池発熱量が所定量以下であって放熱量が所定量以上である場合に、燃料電池スタックに冷却水を供給して燃料電池冷却水の急激な温度低下を防止することができる。したがって、この本発明によれば、燃料電池温度の急激な低下を防ぎ、凝縮水の生成を抑えることで燃料電池スタックを構成するセルの水詰まりを防止してシステム効率の向上を図ることができ、燃料電池スタックから出力を安定して高負荷まで取り出すことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
本発明は、例えば図１及び図２に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１３】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック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ユニット１９を介して、例えば燃料電池自動車の駆動モータなどの負荷や、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。
【００１４】
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上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。
【００１５】
燃料電池スタック１の電解質としては、例えば固体高分子電解質が用いられる。この固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。したがって、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に発電反応をさせるに際して、燃料電池スタック１に水分を供給して加湿すると共に、適正な温度に保持する必要がある。
【００１６】
水素供給系は、水素供給流路Ｌ１に、高圧水素タンク２、水素調圧弁３、水素調圧用アクチュエータ４、エゼクタポンプ５、加湿器６が設けられて燃料電池スタック１に水素を供給すると共に、燃料電池スタック１の水素排出側に設けられた水素排出流路Ｌ２にパージ弁７及びパージ用アクチュエータ８が設けられ、更に燃料電池スタック１から排出された排出ガスを水素供給流路Ｌ１のエゼクタポンプ５に還流させる水素循環流路Ｌ３を備えて構成されている。
【００１７】
この水素供給系では、燃料電池スタック１の目標とする発電量に応じて、コントローラ１８により水素調圧用アクチュエータ４が制御駆動されて水素調圧弁３の開度が制御されることで、目標とする流量及び圧力に調整して高圧水素タンク２の水素を燃料電池スタック１側に供給する。そして、高圧水素タンク２から供給される水素ガスは、水素調圧弁３を通って加湿器６において加湿された後、燃料電池スタック１の水素極に供給される。
【００１８】
また、加湿器６の燃料電池スタック１側の水素供給流路Ｌ１には、水素流量センサ９及び水素圧力センサ１０が設けられており、燃料電池スタック１へ供給する水素流量及び水素圧力が計測されて、センサ信号としてコントローラ１８に読み込まれる。
【００１９】
一方、空気供給系は、空気供給流路Ｌ４に空気を送り込むコンプレッサ１１、加湿器６が設けられて燃料電池スタック１に空気を供給すると共に、燃料電池スタック１の空気排出側に設けられた空気排出流路Ｌ５に空気調圧弁１２及び空気調圧用アクチュエータ１３が設けられている。コンプレッサ１１によって供給される酸化剤ガスとしての空気は、燃料電池スタック１の目標とする発電量に応じて、その流量がコントローラ１８により流量制御されると共に、空気調圧用アクチュエータ１３が制御駆動されて空気調圧弁１２の開度が制御されることで圧力制御される。
【００２０】
また、加湿器６の燃料電池スタック１側の空気供給流路Ｌ４には、空気流量センサ１４及び空気圧力センサ１５が設けられており、燃料電池スタック１へ供給する空気流量及び空気圧力が計測されて、センサ信号としてコントローラ１８に読み込まれる。
【００２１】
加湿器６には、図示しない加湿用純水タンク内の純水が純水ポンプ１６によって純水流路Ｌ６を介して供給され、純水の流量や温度等によって水素ガス及び空気の加湿量がコントローラ１８により制御される。
【００２２】
更に、冷却水供給系は、図２に示すように、冷却水供給流路Ｌ７が燃料電池スタック１内に挿通され、当該冷却水供給流路Ｌ７に、ラジエタ２１及び送風ファン２２、熱交換器２３、第１三方弁２４が設けられて燃料電池スタック１に冷却水を供給し、燃料電池スタック１の冷却水出口側の冷却水供給流路Ｌ７に第２三方弁２５が設けられている。
【００２３】
また、この燃料電池システムでは、ラジエタ２１の放熱量を低下させる可変ラジエタグリルフィン２６が設けられている。この可変ラジエタグリルフィン２６は、コントローラ１８により駆動され、開状態となされるほどラジエタ２１の放熱量を上昇させるように構成されている。
【００２４】
冷却水供給流路Ｌ７には、第１三方弁２４に供給された冷却水を燃料電池スタック１には導かずにバイパスするバイパス流路Ｌ８の一方端が挿通され、当該バイパス流路Ｌ８の他方端には第２三方弁２５が挿通されている。
【００２５】
このような冷却水供給系では、燃料電池スタック１に冷却水を供給させるに際して、ラジエタ２１、送風ファン２２及び可変ラジエタグリルフィン２６がコントローラ１８により駆動されることでラジエタ２１の放熱量を調節し、燃料電池スタック１に供給する冷却水温度が調整される。また、この冷却水は、熱交換器２３にて加湿用の純水と熱交換される。そして、この冷却水は、第１三方弁２４及び第２三方弁２５がコントローラ１８により駆動制御されることで、第１三方弁２４から燃料電池スタック１に供給される冷却水供給流路Ｌ７、第１三方弁２４から第２三方弁２５に供給されるバイパス流路Ｌ８に導かれる。
【００２６】
このような燃料電池システムにおいて、コントローラ１８は、その機能ブロックを図３に示すように、燃料電池発電量推定部４１、ラジエタ放熱量推定部４２、作動許可判定部４３、バイパス用三方弁作動部４４、可変ラジエタグリルフィン作動部４５を有する。これらの各部は、コントローラ１８内に記憶された制御プログラムに従って動作することで構成されるものである。
【００２７】
このコントローラ１８は、燃料電池スタック１のセル電圧を検出するセル電圧検出装置１７からのセンサ信号を取得して、燃料電池発電量推定部４１により燃料電池発電量に応じた燃料電池発熱量を推定する。このとき、燃料電池発電量推定部４１では、内部に予め用意しておいたセル電圧に対応する燃料電池発熱量を記したテーブルデータや、演算式を利用する。なお、この燃料電池発電量推定部４１では、燃料電池スタック１の実発電量からのみならず、目標発電量から燃料電池発熱量を推定しても良い。
【００２８】
また、ラジエタ放熱量推定部４２では、図示しない車速センサ及び外気温センサからのセンサ信号からラジエタ２１の放熱量を推定する。このとき、ラジエタ放熱量推定部４２では、内部に予め用意しておいた車速及び外気温に対応するラジエタ２１の放熱量を記したテーブルデータや、演算式を利用する。
【００２９】
そして、作動許可判定部４３では、燃料電池発電量推定部４１にて求めた燃料電池発熱量と、ラジエタ放熱量推定部４２にて求めたラジエタ２１の放熱量とを比較し、比較結果に基づいて、バイパス用三方弁作動部４４や可変ラジエタグリルフィン作動部４５を制御して、第１三方弁２４及び第２三方弁２５や、可変ラジエタグリルフィン２６を動作させて冷却水を所望の冷却水温度とする冷却水温度制御処理をする。
【００３０】
このとき、コントローラ１８では、図示しないエンジンコントロールルーム内の温度を検出する温度センサ２７、燃料電池スタック１の空気入口付近に設けられた空気温度センサ２８、ラジエタ２１の冷却水出口付近の空気供給流路Ｌ４に設けられた第１冷却水温度センサ２９、燃料電池スタック１の冷却水入口付近の冷却水供給流路Ｌ７に設けられた第２冷却水温度センサ３０、燃料電池スタック１の冷却水出口付近の冷却水供給流路Ｌ７に設けられた第３冷却水温度センサ３１、ラジエタ２１の冷却水入口付近の冷却水供給流路Ｌ７に設けられた第４冷却水温度センサ３２からのセンサ信号を読み込んで、送風ファン２２及び可変ラジエタグリルフィン２６の駆動量、及び第１三方弁２４及び第２三方弁２５の開度を制御する。なお、この冷却水温度制御処理の処理内容については後述する。
【００３１】
［冷却水温度制御処理］
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、冷却水温度制御処理を行うときのコントローラ１８の処理手順について説明する。
【００３２】
コントローラ１８は、図４に示すように、例えば、燃料電池スタック１の運転開始時から所定時間毎（例えば１０［ｍｓｅｃ］毎）に冷却水温度制御処理のステップＳ１以降の処理を開始し、燃料電池スタック１の発熱量を推定すると共に、ラジエタ２１での放熱量を推定する（ステップＳ２）。
【００３３】
ステップＳ１にて燃料電池発熱量を推定するに際して、コントローラ１８は、図５に示すように、先ず、ドライバの運転操作に応じた目標とする要求電力に補機消費電力を加えた燃料電池スタック１の目標発電量を演算し（ステップＳ１１）、予め実験などにより、車載する燃料電池スタック１の目標発電量もしくは実発電量と発熱量との関係を求め、その関係から発熱量を推定する（ステップＳ１２）。
【００３４】
また、このように燃料電池発熱量を推定する手法の他、例えば、第２冷却水温度センサ３０及び第３冷却水温度センサ３１からのセンサ信号から検出した燃料電池スタック１の冷却水入口温度及び冷却水出口温度と、燃料電池冷却水比熱、燃料電池冷却水流量、燃料電池冷却水比重量から燃料電池スタック１の発熱量を推定しても良い。更に燃料電池発熱量を推定する他の手法としては、燃料電池スタック１の内容積、水素圧力及び温度から燃料電池スタック１内に流入している水素のモル数を算出し、それらが全て発電量に置き換わったとして演算される理想発電量と、実発電量又は目標発電量との差を求めて燃料電池発熱量を算出しても良い。
【００３５】
また、ステップＳ２にてラジエタ２１での放熱量を推定するに際して、コントローラ１８は、図６に示すように、先ず、図示しない外気温センサ及び車速センサからのセンサ信号から外気温及び車速を検出し（ステップＳ２１）、第４冷却水温度センサ３２からのセンサ信号からラジエタ２１の冷却水入口温度を検出し（ステップＳ２２）、予め実験などにより求めておいたラジエタ２１の放熱特性に基づいて、外気温、車速、冷却水入口温度及び送風ファン２２の回転数からラジエタ２１の放熱量を推定する（ステップＳ２３）。また、このようにラジエタ２１の放熱量を推定する他の手法としては、例えば、外気温、車速、冷却水入口温度、冷却水流量、第１冷却水温度センサ２９により検出したラジエタ２１の冷却水出口温度、冷却水比重量からラジエタ２１の放熱量を演算しても良い。
【００３６】
次に、コントローラ１８では、図４に示すように、ステップＳ１にて推定した燃料電池スタック１の発電量及びステップＳ２にて推定したラジエタ２１の放熱量に基づいて、ラジエタ２１の放熱量が燃料電池スタック１の発熱量を所定量より多く上回っているか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００３７】
このとき、コントローラ１８では、予め実験などにより、ある燃料電池発熱量Ａに対しラジエタ放熱量を変更した場合に、燃料電池スタック１が水詰まりを起こすことなく安定して電力を取り出すことができるラジエタ放熱量Ｂを求めておき、下記の
ラジエタ放熱量Ｂ―燃料電池発熱量Ａ＝所定量Ｃ
なる演算をして所定量Ｃを算出する。これにより、ステップＳ３での判定をして、処理をステップＳ４又はステップＳ５に進める。
【００３８】
ラジエタ２１の放熱量から燃料電池スタック１の発熱量を減算した熱量差が所定量より多く上回っているとコントローラ１８により判定した場合には、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を開状態にすることで、ラジエタ２１を通過した冷却水をバイパス流路Ｌ８に導くように制御する（ステップＳ４）。これにより、図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１以降にてラジエタ放熱量と燃料電池発熱量との熱量差が所定量Ｃより大きくなった場合、図７（ｂ）に示すように時刻ｔ１にて冷却水供給流路Ｌ７からの冷却水をバイパス流路Ｌ８に導くように第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全開状態にすることで、燃料電池スタック１に冷却水を供給しないようにする。
【００３９】
一方、ラジエタ２１の放熱量から燃料電池スタック１の発熱量を減算した熱量差が所定量Ｃより多く上回っていないとコントローラ１８により判定した場合には、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を閉状態のままにしてラジエタ２１を通過した冷却水を冷却水供給流路Ｌ７を介して燃料電池スタック１に供給するように制御する（ステップＳ５）。これにより、図８（ａ）に示すように、時刻ｔ２以降にてラジエタ放熱量と燃料電池発熱量との熱量差が所定量Ｃより小さくなった場合、図８（ｂ）に示すように時刻ｔ２にて冷却水供給流路Ｌ７からの冷却水を燃料電池スタック１に導くように第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全閉状態にする。
【００４０】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１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の発熱量及びラジエタ２１の放熱量を推定し、燃料電池発熱量とラジエタ放熱量との熱量差が所定量Ｃより大きい場合には、ラジエタ２１を通過した冷却水を燃料電池スタック１には供給せずにバイパス流路Ｌ８に導くようにしたので、図８（ａ）の時刻ｔ２以前のように、燃料電池発熱量が所定量以下であってラジエタ放熱量が所定量以上である場合に、燃料電池スタック１に冷却水を供給して燃料電池冷却水の急激な温度低下を防止することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池温度の急激な低下を防ぎ、空気及び水素のガスによる凝縮水の生成を抑えることで燃料電池スタック１を構成するセルの水詰まりを防止してシステム効率の向上を図ることができ、燃料電池スタック１から出力を安定して高負荷まで取り出すことができる。
【００４１】
［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。また、第２実施形態に係る燃料電池システムは、その構成が第１実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。
【００４２】
第２実施形態に係る燃料電池システムは、その冷却水温度制御処理を図９に示すように、先ず、コントローラ１８により、上述のステップＳ１及びステップＳ２と同様に燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量を推定し（ステップＳ３１、ステップＳ３２）、上述のステップＳ３と同様にラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定量Ｃよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３３）。
【００４３】
コントローラ１８にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定量Ｃよりも大きくないと判定した場合には、上述のステップＳ５と同様にラジエタ２１を通過した冷却水を燃料電池スタック１に導くように第１三方弁２４及び第２三方弁２５を閉状態にして処理を終了する。
【００４４】
一方、コントローラ１８にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定量Ｃよりも大きいと判定した場合には、第２冷却水温度センサ３０からのセンサ信号から燃料電池スタック１の冷却水入口温度を検出し（ステップＳ３４）、更に空気温度センサ２８からのセンサ信号から加湿器６の出口における空気温度を検出する（ステップＳ３５）。
【００４５】
このとき、コントローラ１８では、加湿器出口ガス温度が加湿器に流入する純水温度とほぼ等価であるので、加湿器入口純水温度を検出しても良い。
【００４６】
次に、コントローラ１８では、加湿器６の出口における空気温度から燃料電池スタック１の冷却水入口における冷却水温度を減算した温度差が、所定温度Ｆ［ｄｅｇＣ］よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３６）。このとき、コントローラ１８では、予め実験などにより、ある加湿器６の出口における空気温度又は加湿器６の入口における純粋温度Ｄに対し燃料電池スタック１の冷却水入口における冷却水温度を様々に変化させた場合に、燃料電池スタック１が水つまりを起こすことなく安定して付加を取り出すことができる燃料電池スタック１入口の冷却水温度Ｅを求め、下記の
加湿器出口空気温度（又は加湿器入口純水温度）−燃料電池スタック入口冷却水温度Ｅ＝所定温度Ｆ
なる演算をして所定温度Ｆを算出する。これにより、ステップＳ３６での判定をして、処理をステップＳ４又はステップＳ５に進める。
【００４７】
加湿器６の出口における空気温度から燃料電池スタック１の冷却水入口における冷却水温度を減算した温度差が、所定温度Ｆよりも大きいと判定した場合にはラジエタ２１を通過した冷却水をバイパス流路Ｌ８に導くように第１三方弁２４及び第２三方弁２５を開状態にして処理を終了する。
【００４８】
これにより、図１０（ａ）に示すように、時刻ｔ３以降にてラジエタ放熱量と燃料電池発熱量との熱量差が所定量Ｃより大きくなり、且つ図１０（ｂ）に示すように時刻ｔ４にて加湿器出口空気温度から燃料電池スタック入口冷却水温度を減算した温度差が所定温度Ｆよりも大きくなった場合には、図１０（ｃ）に示すように、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全開状態にして、冷却水供給流路Ｌ７からの冷却水をバイパス流路Ｌ８に導く。
【００４９】
一方、加湿器６の出口における空気温度から燃料電池スタック１の冷却水入口における冷却水温度を減算した温度差が、所定温度Ｆよりも大きくないと判定した場合にはラジエタ２１を通過した冷却水を燃料電池スタック１に導くように第１三方弁２４及び第２三方弁２５を閉状態にして処理を終了する。
【００５０】
これにより、図１１（ａ）に示すように、時刻ｔ５にてラジエタ放熱量と燃料電池発熱量との熱量差が所定量Ｃより大きくなり、且つ図１１（ｂ）に示すように時刻ｔ６以降にて加湿器出口空気温度から燃料電池スタック入口冷却水温度を減算した温度差が所定温度Ｆよりも小さくなる場合には、図１１（ｃ）に示すように、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全閉状態にして、冷却水供給流路Ｌ７からの冷却水を燃料電池スタック１に導く。
【００５１】
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、図１０に示したように、加湿器出口の空気温度から所定温度Ｆ以上燃料電池スタック１の入口の冷却水温度が下回っている場合には、冷却水をバイパス流路Ｌ８に導いて、燃料電池スタック１をバイパスさせるので、燃料電池冷却水の急激な温度低下を防止することができ、燃料電池スタック１から出力を安定して高負荷まで取り出すことができる。
【００５２】
また、この燃料電池システムによれば、ステップＳ３５において、加湿器６の出口ガス温度を加湿器６の入口に流入する加湿用純水温度から推定しているので、精度良く加湿器出口ガス温度を推定することができる。
【００５３】
［第３実施形態］
つぎに、第３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。
【００５４】
第３実施形態に係る燃料電池システムでは、第２実施形態の冷却水温度制御処理のステップＳ３５にて検出した燃料電池スタック１入口の冷却水温度が所定温度Ｇ［ｄｅｇＣ］を上回っていた場合に、コントローラ１８により、例えば、予め実験などにより求めておいた燃料電池スタック１入口の冷却水温度の最高温度Ｈ［ｄｅｇＣ］を使用して、下記の
（燃料電池スタック１入口の冷却水温度−所定温度Ｇ）／（最高温度Ｈ−所定温度Ｇ）＝Ｉ（Ｉは０以上１以下）
なる演算をする。
【００５５】
さらに、コントローラ１８では、三方弁通常動作速度をＶ［ｄｅｇ／ｓ］とすると、上記式を使用して求めたＩを用いて、
Ｉ×Ｖ［ｄｅｇ／ｓ］
なる演算をして、燃料電池スタック１入口の冷却水温度が所定温度Ｇ［ｄｅｇＣ］を下回るまで第１三方弁２４及び第２三方弁２５の開度を調整する。
【００５６】
このとき、コントローラ１８では、図１２（ａ）に示すように時刻ｔ７以降にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定値Ｃよりも大きく、図１２（ｂ）に示すように時刻ｔ８以降にて加湿器６出口の空気温度から燃料電池スタック１入口の冷却水温度を減算した温度差が所定温度Ｆよりも大きい場合に、図１２（ｃ）に示すように時刻ｔ８にて第１三方弁２４及び第２三方弁２５の開度を、燃料電池発熱量に基づいた所定の開度とする。すなわち、上述の実施形態に対して第１三方弁２４及び第２三方弁２５の動作速度を遅くする。そして、コントローラ１８は、時刻ｔ９にて燃料電池スタック１入口の冷却水温度が所定温度Ｇ以下となると、時刻ｔ８以降における第１三方弁２４及び第２三方弁２５の動作速度よりも高くして、第１三方弁２４及び第２三方弁２５の開度をより大きくして、ラジエタ２１を通過した全冷却水をバイパス流路Ｌ８に導く。
【００５７】
これにより、コントローラ１８では、ラジエタ２１を通過して燃料電池スタック１に導く冷却水流量と、バイパス流路Ｌ８に導く冷却水流量とを調整する。
【００５８】
また、コントローラ１８では、時刻ｔ８以降にて所定開度に第１三方弁２４及び第２三方弁２５を制御した後に、燃料電池スタック１入口の冷却水温度が所定温度Ｇ以下となった場合に、直接第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全開状態にしても良い。
【００５９】
このような第３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入口の冷却水温度が所定温度Ｇ以上である場合には、燃料電池発熱量の推定値に基づいて第１三方弁２４及び第２三方弁２５の開度を算出し、燃料電池スタック１に供給する冷却水流量とバイパス流路Ｌ８に供給する冷却水流量とを制御しているので、その後に急激に燃料電池発熱量が上昇したとしても、高温の燃料電池冷却水を燃料電池スタック１に流入させることなく、更に安定してに燃料電池から出力を取り出すことができる。
【００６０】
［第４実施形態］
つぎに、第４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。
【００６１】
第４実施形態に係る燃料電池システムは、図４にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定量Ｃより大きいと判定した後のステップＳ４にて第１三方弁２４及び第２三方弁２５を開状態にすると共に可変ラジエタグリルフィン２６を閉状態にし、ラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定量Ｃより大きくないと判定した後のステップＳ５において第１三方弁２４及び第２三方弁２５を閉状態にすると共に可変ラジエタグリルフィン２６を開状態とすることを特徴とする。このとき、コントローラ１８は、可変ラジエタグリルフィン２６に制御信号を出力して、可変ラジエタグリルフィン２６を駆動制御する。
【００６２】
このような制御をするコントローラ１８は、図１３（ａ）に示すように、時刻ｔ１０以降にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定値Ｃ以上となったときに、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全開状態とすると同時に（図１３（ｂ））、可変ラジエタグリルフィン２６を全閉状態とする（図１３（ｃ））。
【００６３】
これに対し、コントローラ１８では、図１４（ａ）に示すように、時刻ｔ１１以降にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定値Ｃ以下となったときに、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全閉状態とすると同時に（図１４（ｂ））、可変ラジエタグリルフィン２６を全開状態とする（図１４（ｃ）。
【００６４】
このような制御を行う第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、冷却水をバイパス流路Ｌ８に導く場合には、可変ラジエタグリルフィン２６によりラジエタ放熱量を低下させて、第１三方弁２４及び第２三方弁２５の作動中にラジエタ２１に流入する冷却水の放熱量を低下させて冷却水温度を所望とする温度に制御するので、第１三方弁２４及び第２三方弁２５の作動中にラジエタ２１に流入する冷却水の急激な温度低下を防止することができ、燃料電池スタック１から出力を安定して高負荷まで取り出すことができる。
【００６５】
また、この第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、ラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定値Ｃよりも小さくなった場合のステップＳ５において、燃料電池発熱量が高くなって第３冷却水温度センサ３１により検出される燃料電池スタック１出口の冷却水温度が所定値以上となった場合には、可変ラジエタグリルフィン２６を作動させずに開状態にしてラジエタ２１の放熱量を低下させないようにしても良い。これにより、燃料電池システムによれば、高温の冷却水を燃料電池スタック１に流入させることなく、更に安定して燃料電池スタック１から出力を取り出すことができる。
【００６６】
更に、この燃料電池システムによれば、推定した燃料電池発熱量が急低下したと例えばセル電圧検出装置１７からのセンサ信号により検出した場合に、可変ラジエタグリルフィン２６を作動させてラジエタ放熱量を低下させることで、冷却水温度の急低下を防止することができる。
【００６７】
［第５実施形態］
つぎに、第５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。
【００６８】
この第５実施形態に係る燃料電池システムは、コントローラ１８により、図９にて加湿器６出口の空気温度から燃料電池スタック１入口の冷却水温度を減算した温度差が所定温度Ｆより大きいと判定した後のステップＳ３７において、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を開状態とすると共に可変ラジエタグリルフィン２６を開状態とし、加湿器６出口の空気温度から燃料電池スタック１入口の冷却水温度を減算した温度差が所定温度Ｆより大きくないと判定した後のステップＳ３８において、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を閉状態とすると共に可変ラジエタグリルフィン２６を閉状態とすることを特徴とする。
【００６９】
このような制御をするコントローラ１８では、図１５に示すように、時刻ｔ１２以降にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定値Ｃ以上となり（図１５（ａ））、且つ時刻ｔ１３以降にて加湿器６出口の空気温度から燃料電池スタック１入口の冷却水温度を減算した温度差が所定温度Ｆより大きくなった場合に（図１５（ｂ））、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全開状態とすると同時に（図１５（ｃ）、点線）、可変ラジエタグリルフィン２６を全閉状態とする（図１５（ｃ）、実線）。
【００７０】
これに対し、コントローラ１８では、図１６に示すように、時刻ｔ１４以降にてラジエタ放熱量から燃料電池発熱量を減算した熱量差が所定値Ｃ以下となり（図１６（ａ））、且つ時刻ｔ１５以降にて加湿器６出口の空気温度から燃料電池スタック１入口の冷却水温度を減算した温度差が所定温度Ｆより小さくなった場合に（図１６（ｂ））、第１三方弁２４及び第２三方弁２５を全閉状態とすると同時に（図１６（ｃ）、点線）、可変ラジエタグリルフィン２６を全開状態とする（図１６（ｃ）、実線）。
【００７１】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１入口の冷却水温度が、加湿器６入口の冷却水温度に対する温度差が所定温度以上である場合には、図１５に示すように可変ラジエタグリルフィン２６を全閉状態にして、ラジエタ放熱量を低下させないようにするので、高温の冷却水を燃料電池スタック１に流入させることなく、更に安定して燃料電池スタック１から出力を取り出すことができる。
【００７２】
［第６実施形態］
つぎに、第６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。
【００７３】
この第６実施形態に係る燃料電池システムは、第５実施形態において図１５及び図１６を用いて説明したように第１三方弁２４及び第２三方弁２５、並びに可変ラジエタグリルフィン２６を動作させると共に、エンジンコントロールルーム内に設けられた温度センサ２７からのセンサ信号をコントローラ１８にて取得する。そして、コントローラ１８では、温度センサ２７により検出した温度が所定温度Ｊ［ｄｅｇＣ］を上回っており、且つ、ステップＳ３２にて推定したラジエタ放熱量が所定量Ｋ［ｋＷ］を下回っている場合には、可変ラジエタグリルフィン２６を最優先して開状態にする。これにより、コントローラ１８では、ラジエタ２１の放熱量を低下させない。
【００７４】
このような第６実施形態に係る燃料電池システムによれば、検出したエンジンコントロールルーム内の温度が所定温度以上である場合で、且つラジエタ放熱量が所定量以下である場合には、可変ラジエタグリルフィン２６を作動させずに開状態に保持して、ラジエタ２１の放熱量を低下させないので、エンジンコントロールルーム内の温度上昇を防止することができ、システムをエンジンコントロールルームからの熱から保護することができる。
【００７５】
また、この燃料電池システムによれば、ラジエタ２１、送風ファン２２及び可変ラジエタグリルフィン２６が燃料電池スタック１の冷却水の温度調整や、者際した他の部品を冷却する他部品冷却水用とに分割されている場合であって、且つ、推定したラジエタ放熱量が所定量以下である場合には、燃料電池スタック１の冷却水用の可変フィンのみを使用してラジエタ放熱量を低下させる制御をすることにより、例えばエンジンコントロールルーム内の温度上昇を防止することができ、かつ、燃料電池スタック１の冷却水の温度低下を防止することができる。
【００７６】
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り、更には、上述した各実施形態を組み合わせても各実施形態にて述べた効果を発揮させることができるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示す他のブロック図である。
【図３】コントローラの機能的な構成を示すブロック図である。
【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よる冷却水温度制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【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冷却水温度制御処理において燃料電池発熱量を推定するとき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よる冷却水温度制御処理においてラジエタ放熱量を推定するときの処理手順を示すフローチャートである。
【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よる冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）第１三方弁及び第２三方弁の動作、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冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）第１三方弁及び第２三方弁の動作、を示す図である。
【図９】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冷却水温度制御処理において燃料電池発熱量を推定するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】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冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）燃料電池スタック入口冷却水温度及び加湿器出口空気温度の変化、（ｃ）第１三方弁及び第２三方弁の動作、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による冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）燃料電池スタック入口冷却水温度及び加湿器出口空気温度の変化、（ｃ）第１三方弁及び第２三方弁の動作、を示す図である。
【図１２】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムによる冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）燃料電池スタック入口冷却水温度及び加湿器出口空気温度の変化、（ｃ）第１三方弁及び第２三方弁の動作、を示す図である。
【図１３】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムによる冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）燃料電池スタック入口冷却水温度及び加湿器出口空気温度の変化、（ｃ）可変ラジエタグリルフィンの動作、を示す図である。
【図１４】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムによる冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）燃料電池スタック入口冷却水温度及び加湿器出口空気温度の変化、（ｃ）可変ラジエタグリルフィンの動作、を示す図である。
【図１５】本発明を適用した第５実施形態に係る燃料電池システムによる冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）燃料電池スタック入口冷却水温度及び加湿器出口空気温度の変化、（ｃ）第１三方弁、第２三方弁及び可変ラジエタグリルフィンの動作、を示す図である。
【図１６】本発明を適用した第５実施形態に係る燃料電池システムによる冷却水温度制御処理において、（ａ）燃料電池発熱量及びラジエタ放熱量の変化、（ｂ）燃料電池スタック入口冷却水温度及び加湿器出口空気温度の変化、（ｃ）第１三方弁、第２三方弁及び可変ラジエタグリルフィンの動作、を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  高圧水素タンク
３  水素調圧弁
４  水素調圧用アクチュエータ
５  エゼクタポンプ
６  加湿器
７  パージ弁
８  パージ用アクチュエータ
９  水素流量センサ
１０  水素圧力センサ
１２  空気調圧弁
１３  空気調圧用アクチュエータ
１４  空気流量センサ
１５  空気圧力センサ
１６  純水ポンプ
１７  セル電圧検出装置
１８  コントローラ
１９  駆動ユニット
２１  ラジエタ
２２  送風ファン
２３  熱交換器
２４  第１三方弁
２５  第２三方弁
２６  可変ラジエタグリルフィン
２７  温度センサ
２８  空気温度センサ
２９  第１冷却水温度センサ
３０  第２冷却水温度センサ
３１  第３冷却水温度センサ
３２  第４冷却水温度センサ
４１  燃料電池発電量推定部
４２  ラジエタ放熱量推定部
４３  作動許可判定部
４４  バイパス用三方弁作動部
４５  可変ラジエタグリルフィン作動部
【図１】
2004234902.tif 000003
【図２】
2004234902.tif 000004
【図３】
2004234902.tif 000005
【図４】
2004234902.tif 000006
【図５】
2004234902.tif 000007
【図６】
2004234902.tif 000008
【図７】
2004234902.tif 000009
【図８】
2004234902.tif 000010
【図９】
2004234902.tif 000011
【図１０】
2004234902.tif 000012
【図１１】
2004234902.tif 000013
【図１２】
2004234902.tif 000014
【図１３】
2004234902.tif 000015
【図１４】
2004234902.tif 000016
【図１５】
2004234902.tif 000017
【図１６】
2004234902.tif 000018