(57)【要約】【課題】本発明では、燃料電池の発電出力が急激に減少しても極間差圧を維持することができ、燃料電池のシール劣化や電解膜の破損を防止することができる燃料電池の冷却装置を提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池１の冷却装置１０は、反応ガスを流入させることで電気化学反応による発電を行う燃料電池１に設けられ、この燃料電池１から生成される発電電流に応じて循環ポンプ５を制御することで燃料電池１とラジエータ６間に冷却水を循環させている。そして、この冷却装置１０は、燃料電池１の発電電流が減少方向に変化することで反応ガスの流入指令値が減少方向に変化したときに、冷却水の流入指令値を所定の遅れをもって減少させるＥＣＵ９を備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスを流入させることで電気化学反応による発電を行う燃料電池に設けられ、この燃料電池から生成される発電電流に応じて循環ポンプを制御することで前記燃料電池とラジエータ間に冷却水を循環させる燃料電池の冷却装置において、
前記燃料電池の発電電流が減少方向に変化することで前記反応ガスの流入指令値が減少方向に変化したときに、前記冷却水の流入指令値を所定の遅れをもって減少させる極間差圧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】
前記極間差圧制御手段は、
前記燃料電池の発電電流の減少変化が大きいほど、前記冷却水の流入指令値を大きい遅れをもって減少させることを特徴とする請求項１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、燃料電池をラジエータで冷却された冷却水で冷却する燃料電池の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車は電気自動車の一種であり、搭載した燃料電池から電力の供給を受け、走行モータを駆動するものである。燃料電池は、空気供給系から酸化剤ガスとしての空気の供給を受けると共に、水素供給系から燃料ガスとしての水素の供給を受け、その酸素と水素との電気化学反応により発電し、発電した電力を走行モータ他、コンプレッサ等の補機類から成る電力消費系に供給している。
【０００３】
ところで、前記した燃料電池では、その内部に流入させる燃料ガスや酸化剤ガス（以下、これらを「反応ガス」という。）の圧力と、同じく内部に流入させる冷却水の圧力との相対関係が制約されている。一般的には、冷却水の圧力が反応ガスの圧力より高くなると、たとえば燃料電池の冷却経路におけるシールの劣化が進んだり、燃料電池の電解膜が破損したりするおそれがあるため、この燃料電池においては、常に冷却水の圧力を反応ガスの圧力よりも低く保つようにしている。
【０００４】
このような冷却水と反応ガスとの圧力差（極間差圧）を維持すべく、従来では、燃料電池へ供給する反応ガスの圧力が増加方向に変化するときに、冷却水の圧力の目標値変化を緩やかにし、また、反応ガスの圧力が減少方向に変化する場合には、冷却水の基準となる圧力目標値とその制御目標値とを比較し、小さい方の値を目標値として設定するようにした技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２８００３６号公報（第４頁、第２図）
【０００６】
この従来技術によれば、燃料電池の発電出力増大に伴い、反応ガスおよび冷却水の圧力を増大方向に調整する場合は、冷却水圧力の目標値は反応ガスの目標値より遅れて立ち上がることから、冷却用に十分な流量を確保しつつ、冷却水圧力と反応ガスとの圧力差（極間差圧）を維持するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、発電出力の減少時は十分に考慮されておらず、冷却水を循環させる循環ポンプに対して急激な減少指令を出力した場合は、冷却水が所定の運動エネルギを持つため、急に圧力が減少することはなく、一時的に圧力が上昇する現象（たとえば、ウォーターハンマ現象）が発生するおそれがあった。また、この現象が発生した場合には、前記した極間差圧が維持されず（たとえば冷却水圧力＞反応ガス圧力となり）、燃料電池スタックのシール性能の劣化や電解膜の破損を招くおそれがあった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、燃料電池の発電出力が急激に減少しても冷却水と反応ガスとの極間差圧を維持することができ、燃料電池のシール劣化や電解膜の破損を防止することができる燃料電池の冷却装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載の発明は、反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスを流入させることで電気化学反応による発電を行う燃料電池に設けられ、この燃料電池から生成される発電電流に応じて循環ポンプを制御することで前記燃料電池とラジエータ間に冷却水を循環させる燃料電池の冷却装置において、前記燃料電池の発電電流が減少方向に変化することで前記反応ガスの流入指令値が減少方向に変化したときに、前記冷却水の流入指令値を所定の遅れをもって減少させる極間差圧制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、極間差圧制御手段が、燃料電池の発電電流が減少して反応ガスの流入指令値が減少方向に変化したときに、冷却水の流入指令値を所定の遅れをもって減少させることで、冷却水が有する所定の運動エネルギを徐々に減衰させることができる。そのため、ウォーターハンマ現象等により冷却水の圧力が急激に高まることなく、極間差圧を維持することができるので、燃料電池のシール劣化や電解膜の破損を防止することができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成において、前記極間差圧制御手段は、前記燃料電池の発電電流の減少変化が大きいほど、前記冷却水の流入指令値を大きい遅れをもって減少させることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による作用に加え、燃料電池の発電出力の減少変化が大きいときは、ウォーターハンマ現象等による冷却水の圧力上昇が起きる可能性が高いので、発電出力の減少変化が大きいほど、より大きい遅れをもって冷却水指令値を減少させる。このようにすることによって、冷却水と反応ガスの極間差圧を維持することができ、燃料電池のシール劣化や電解膜の破損を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る燃料電池の冷却装置を示す構成図である。図１において、燃料電池１は、固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものであり、空気供給系２から酸化剤ガスとしての空気の供給をカソード極に受けると共に、水素供給系３（水素タンクＨ２）から燃料ガスとしての水素の供給をアノード極に受け、酸素と水素との電気化学反応により発電する。発電した電力は、空気供給系２のスーパーチャージャ（Ｓ／Ｃ）４、冷却装置１０の循環ポンプ（Ｗ／Ｐ）５、ラジエータ６に空気を送るラジエータファン７等の補機類や、図示せぬ走行モータなどの電力消費系に供給される。
【００１４】
燃料電池１の冷却装置１０は、循環ポンプ５、ラジエータ６、ラジエータファン７および冷却水流路１０ａで主に構成されており、このうち循環ポンプ５がＥＣＵ（極間差圧制御手段）９で制御されるようになっている。そして、この冷却装置１０は、冷却水流路１０ａ内においてラジエータ６で冷却された冷却水を循環ポンプ５により循環させることによって燃料電池１を冷却している。また、この冷却装置１０と空気供給系２との間には、圧力バランサ８が設けられている。
なお、この圧力バランサ８は、空気供給系２内と冷却水流路１０ａ内との圧力差を略一定に維持するものであり、冷却水流路１０ａ内の圧力を空気供給系２内の圧力よりも所定圧力だけ低くするようになっている。また、空気供給系２と水素供給系３との間にも、この圧力バランサ８と同様の機能を有する圧力バランサ（図示せず）が設けられ、これにより両者間の圧力差が略一定に維持されている。
【００１５】
ＥＣＵ９は、主にスーパーチャージャ４、水素タンクＨ２の電磁弁（図示せず）等および循環ポンプ５の制御を行っている。具体的に、ＥＣＵ９は、燃料電池１から取り出す電流値に基づいて反応ガスの流入指令値（燃料電池１に供給する反応ガスの量を指定する制御信号）をスーパーチャージャ４や水素タンクＨ２の電磁弁等に出力し、これらを制御している。また、ＥＣＵ９は、燃料電池１から生成される発電電流に応じて冷却水の流入指令値（冷却水流路１０ａ内で循環させる冷却水の流量を指定する制御信号）を循環ポンプ５に出力し、これを制御することで、燃料電池１の発熱量に適した量の冷却水を循環させている。さらに、ＥＣＵ９は、燃料電池１の発電電流が減少方向に変化することで前記反応ガスの流入指令値が減少方向に変化したときに、前記冷却水の流入指令値を所定の遅れをもって減少させている。
【００１６】
図２、図３は、燃料電池１の冷却装置１０の動作を説明するために引用した図であり、ＥＣＵ９による処理の流れを示すフローチャート（図２）、発電電流や指令値等の出力状態を示すシーケンス図（図３）のそれぞれを示す。以下、図２、図３を参照しながら図１に示す冷却装置１０の動作について詳細に説明する。
【００１７】
図２に示すように、まず、ＥＣＵ９は、燃料電池１から取り出される発電電流ＩＦＣ（あるいは、燃料電池１から所望の電流を取り出すための出力指令値）に基づいて冷却水の流入指令値を算出した後（ステップＳ２１）、極間差圧（冷却水圧力−反応ガス圧力）が所定値を超えているか否かを判断する（ステップＳ２２）。このステップＳ２２で、極間差圧が所定値を超えたことが判断された場合は（ＹＥＳ）、所定のマップＭを参照して発電電流の変化分ΔＩＦＣ（Ａ／ｓｅｃ）からディレーレートＤＲ（ｓｅｃ／ｒｐｍ）を決定し、このディレーレートＤＲをステップＳ２１で算出した流入指令値に適用する（ステップＳ２３）。そして、ステップＳ２３で所定のディレーレートＤＲが適用された流入指令値をＷ／Ｐ最終指令値として決定し、このＷ／Ｐ最終指令値を循環ポンプ５に出力して、この循環ポンプ５を制御する（ステップＳ２４）。なお、ステップＳ２２において極間差圧が所定値以下であると判断された場合は（ＮＯ）、ステップＳ２１で算出した流入指令値をそのままＷ／Ｐ最終指令値として決定し、このＷ／Ｐ最終指令値で循環ポンプ５を制御する（ステップＳ２４）。
【００１８】
さらに、このＥＣＵ３による制御方法をより詳しく説明する。
参照する図３は、燃料電池の発電電流の出力状態を示すシーケンス図（ａ）と、スーパーチャージャへ出力する反応ガスの流入指令値の出力状態を示すシーケンス図（ｂ）と、循環ポンプ５へ出力する冷却水の流入指令値の出力状態を示すシーケンス図（ｃ）と、極間差圧の状態を示すシーケンス図（ｄ）である。なお、この図３において、横軸は時間軸となっている。
【００１９】
最初に、本発明の効果を明確に認識するために従来の制御方法について説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、燃料電池１の発電電流ＩＦＣが急激に減少して０Ａになると、これに伴って反応ガスの流入指令値や冷却水の流入指令値（図３（ｃ）に点線で示す）も急激に減少方向へ変化して、それぞれ０ｒｐｍ、０％となる。このとき、空気供給系２または水素供給系３内の実際の圧力は、図３（ｄ）に示すように、反応ガスの慣性力が小さいことから緩やかに減少していく。これに対して冷却水流路１０ａ内の圧力は、図に点線で示すように、冷却水の慣性力が大きいことからウォーターハンマ現象等が発生し、一時的に上昇する。
そして、この際において、極間差圧が所定値を超えていれば（冷却水圧力−反応ガス圧力＞所定値）、冷却水圧力が反応ガス圧力よりも大きくなって、冷却水と反応ガスとの極間差圧が維持できなくなるという問題が発生する場合がある。
【００２０】
次に、本実施形態での制御方法について説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、燃料電池１の発電電流ＩＦＣが急激に減少すると、これに伴って反応ガスの流入指令値も急激に減少方向へ変化するが、極間差圧が所定値を超える場合では冷却水の流入指令値は所定のディレーレートに基づいて図３（ｃ）の実線で示すように緩やかに減少していく。そして、このような冷却水の流入指令値で制御される循環ポンプ５はその回転速度が徐々に減速していくので、ウォーターハンマ現象等が発生せずに、その冷却水流路１０ａ内の圧力が図３（ｄ）の実線で示すように緩やかに減少していくこととなる。
【００２１】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
反応ガスの流入指令値が減少方向に変化した場合に冷却水の流入指令値が所定の遅れをもって減少されるので、燃料電池１の発電電流ＩＦＣが急激に減少しても冷却水と反応ガスとの極間差圧が維持され、燃料電池１のシール劣化や電解膜の破損を防止することができる。
【００２２】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、発電電流の変化分ΔＩＦＣからディレーレートＤＲを決定したが、本発明はこれに限定されず、たとえば極間差圧の変化分からディレーレートＤＲを決定してもよい。
本実施形態では、反応ガス圧力より冷却水圧力が低いことを前提としたシステムを開示したが、冷却水と反応ガスとの極間差圧を所定範囲に維持する必要がある燃料電池システムにおいては本発明を好適に実施することができる。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、反応ガスの流入指令値が減少方向に変化した場合に冷却水の流入指令値が所定の遅れをもって減少されるので、冷却水が有する所定の運動エネルギを徐々に減衰させることができ、燃料電池の発電出力が急激に減少しても冷却水と反応ガスとの極間差圧が維持され、燃料電池のシール劣化や電解質の破損を防止することができる。
【００２４】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加え、発電電流の減少変化が大きいほど、より大きい遅れをもって冷却水指令値を減少させるので、より大きい運動エネルギを大きい遅れによって減衰させることができ、冷却水の圧力上昇を抑えることが可能となるので、冷却水と反応ガスとの極間差圧を維持することができる。
【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を示す構成図である。
【図２】ＥＣＵによる処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】燃料電池の発電電流の出力状態を示すシーケンス図（ａ）と、スーパーチャージャへ出力する反応ガスの流入指令値の出力状態を示すシーケンス図（ｂ）と、循環ポンプ５へ出力する冷却水の流入指令値の出力状態を示すシーケンス図（ｃ）と、極間差圧の状態を示すシーケンス図（ｄ）である。
【符号の説明】
１                  燃料電池
２                  空気供給系
３                  水素供給系
４                  スーパーチャージャ
５                  循環ポンプ
６                  ラジエータ
７                  ラジエータファン
８                  圧力バランサ
９                  ＥＣＵ（極間差圧制御手段）
１０                冷却装置
１０ａ              冷却水流路
ＩＦＣ              発電電流
【図１】
2004179122.tif 000003
【図２】
2004179122.tif 000004
【図３】
2004179122.tif 000005