(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの供給により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に循環供給される冷却液の流路である冷却液循環流路と、
前記冷却液循環流路に接続され、前記燃料電池から排出された冷却液を冷却する冷却液冷却手段と、
前記冷却液冷却手段を迂回するように前記冷却液循環流路に接続されたバイパス流路と、
前記冷却液冷却手段を通過する冷却液流量と前記バイパス流路を通過する冷却液流量との比を変更する冷却液流量比変更手段と、
当該燃料電池冷却システムの動作を制御するシステム制御手段とを備える燃料電池冷却システムであって、
前記システム制御手段が、
前記燃料電池の温度が所定値となるように、前記冷却液冷却手段における冷却液の放熱量の目標値を算出する目標放熱量算出手段と、
前記目標放熱量算出手段で算出された目標放熱量と前記冷却液冷却手段の目標冷却能力の非線形性を考慮して目標冷却能力を算出するとともに、当該目標放熱量と前記冷却液流量比変更手段の目標流量比との非線形性を考慮して目標流量比を算出する冷却液冷却制御手段とを有し、
前記冷却液冷却手段は、空気を通過させて冷却液を冷却するラジエータと、ファンを回転させて前記ラジエータを通過する空気の量を変化させることで前記ラジエータにおける冷却能力を変化させるラジエータファンとを有し、
前記冷却液流量比変更手段は、開度の変化によって前記冷却液冷却手段を通過する冷却液流量と前記バイパス流路を通過する冷却液流量との比を変化させる三方弁よりなり、
前記冷却液冷却制御手段は、前記目標放熱量が所定値以下の場合には、前記ラジエータファンの目標回転数をゼロで固定して前記目標放熱量を実現できる三方弁開度を算出し、前記目標放熱量が所定値を上回る場合には、前記三方弁の目標開度を前記ラジエータを通過する冷却液流量が最大となるように固定して前記目標放熱量を実現できる前記ラジエータファン回転数を算出することを特徴とする燃料電池冷却システム。
【請求項２】
前記冷却液冷却制御手段は、前記燃料電池の発電量に基づいて、前記燃料電池への冷却液供給流量の目標値を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項３】
前記冷却液冷却制御手段は、前記燃料電池への目標冷却液供給流量が小さいほど前記目標放熱量が大きくなるように、前記目標放熱量算出手段で算出された目標放熱量を補正することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項４】
当該燃料電池冷却システムは移動体に搭載されており、
前記システム制御手段が、前記移動体の移動速度を判定する移動速度判定手段を更に有し、
前記冷却液冷却制御手段は、前記移動速度判定手段により判定される前記移動体の移動速度が遅いほど前記目標放熱量が大きくなるように、前記目標放熱量算出手段で算出された目標放熱量を補正することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項５】
前記システム制御手段が、前記ラジエータを通過する空気の温度を判定するラジエータ通過空気温度判定手段を更に有し、
前記冷却液冷却制御手段は、前記ラジエータ通過空気温度判定手段により判定される温度が高いほど前記目標放熱量が大きくなるように、前記目標放熱量算出手段で算出された目標放熱量を補正することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池冷却システム。
【請求項６】
前記システム制御手段が、
ラジエータを通過する空気の温度を判定するラジエータ通過空気温度判定手段と、
前記燃料電池の温度を判定する燃料電池温度判定手段とを更に有し、
前記目標放熱量算出手段は、前記燃料電池の目標温度と前記燃料電池温度判定手段により判定される温度との偏差に基づいてフィードバック制御により前記目標放熱量を算出すると共に、前記ラジエータ通過空気温度判定手段により判定される温度が高いほど前記フィードバック制御のフィードバックゲインを大きくすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に冷却液を循環供給して燃料電池の温度調整を行う燃料電池冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、水素や水素リッチな改質ガス等の燃料ガスと、酸化剤ガスである空気とが供給されることで、電気化学反応により発電するものである。このような燃料電池、特に電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
以上のような燃料電池は、発電の際に発熱することから、耐久性を確保しながら効率の良い発電を行うためにはこれを冷却して適正な運転温度（８０℃程度）に維持する必要がある。そのため、通常は、燃料電池に冷却液を循環供給する燃料電池冷却システムを用いて、燃料電池の温度調整を行うようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１に記載される燃料電池冷却システムは、冷却液が流れる冷却液循環流路にラジエータを設置すると共に、このラジエータを迂回するバイパス流路を設け、ラジエータを通過する冷却液の流量とバイパス流路を流れる冷却液の流量とを三方弁の開度制御により調整するようにしている。そして、暖機時にはバイパス流路へ冷却液を多く流して暖機を促進し、また、冷却時にはラジエータに多くの冷却液を流して冷却を促進するといったように、燃料電池の温度が適正な運転温度となるように、冷却液の温度を制御している。
【特許文献１】特開２０００−３１５５１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記特許文献１に記載される燃料電池冷却システムをはじめ、燃料電池に冷却液を循環供給して燃料電池の温度調整を行う従来の燃料電池冷却システムにおいては、通常、燃料電池の温度を検出しながら、この検出した燃料電池の温度と燃料電池の目標温度との偏差に基づいて、この偏差を低減させるように、ラジエータを流れる冷却液の流量（前記特許文献１に記載の燃料電池冷却システムでは三方弁の開度）や、ラジエータの冷却能力（ラジエータファンの回転）を制御するようにしている。
【０００６】
しかしながら、燃料電池の目標温度と燃料電池の温度との偏差に基づいて三方弁やラジエータファンを操作すると、三方弁の開度やラジエータファンの回転数に対するラジエータでの放熱量の関係が非線形なので、燃料電池の発熱量に対してラジエータでの放熱量が一時的に過大あるいは過小となる場合がある。そして、燃料電池の発熱量に対してラジエータでの放熱量が一時的に過大となった場合には、燃料電池の温度が目標温度に対して低くなるので燃料電池の発電効率が低下する可能性があり、過小となった場合は燃料電池の温度が目標温度に対して高くなるので燃料電池の耐久性が悪化する可能性がある。
【０００７】
本発明は、以上のような従来技術の有する課題を解消すべく創案されたものであって、燃料電池冷却システムの制御における非線形性を考慮し、例えば、三方弁の開度やラジエータファンの回転数に対するラジエータでの放熱量の関係が非線形であっても放熱量を適切に制御して、燃料電池の温度を所望の値に制御することが可能な燃料電池冷却システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池冷却システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給により発電を行う燃料電池と、この燃料電池に循環供給される冷却液の流路である冷却液循環流路と、この冷却液循環流路に接続されて燃料電池から排出された冷却液を冷却する冷却液冷却手段と、この冷却液冷却手段を迂回するように冷却液循環流路に接続されたバイパス流路と、冷却液冷却手段を通過する冷却液流量とバイパス流路を通過する冷却液流量との比を変更する冷却液流量比変更手段と、当該燃料電池冷却システムの動作を制御するシステム制御手段とを備えるものである。このような燃料電池冷却システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、システム制御手段が、燃料電池の温度が所定値となるように冷却液冷却手段における冷却液の放熱量の目標値を算出する目標放熱量算出手段と、この目標放熱量算出手段で算出された目標放熱量と冷却液冷却手段の目標冷却能力の非線形性を考慮して目標冷却能力を算出するとともに、目標放熱量と冷却液流量比変更手段の目標流量比との非線形性を考慮して目標流量比を算出する冷却液冷却制御手段とを有し、冷却液冷却手段は、空気を通過させて冷却液を冷却するラジエータと、ファンを回転させてラジエータを通過する空気の量を変化させることでラジエータにおける冷却能力を変化させるラジエータファンとを有し、冷却液流量比変更手段は、開度の変化によって冷却液冷却手段を通過する冷却液流量とバイパス流路を通過する冷却液流量との比を変化させる三方弁よりなり、冷却液冷却制御手段は、目標放熱量が所定値以下の場合には、ラジエータファンの目標回転数をゼロで固定して目標放熱量を実現できる三方弁開度を算出し、目標放熱量が所定値を上回る場合には、三方弁の目標開度をラジエータを通過する冷却液流量が最大となるように固定して目標放熱量を実現できるラジエータファン回転数を算出する構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池冷却システムによれば、燃料電池の温度が所定値となるように冷却液冷却手段における冷却液の放熱量の目標値が算出され、この冷却液冷却手段での目標放熱量に基づいて冷却液冷却手段の目標冷却能力と冷却液流量比変更手段の目標流量比とが算出され、それに応じて冷却液冷却手段や冷却液流量比変更手段が制御されるので、冷却液冷却手段の冷却能力や冷却液流量比変更手段の流量比に対する冷却液冷却手段での放熱量の関係が非線形であっても、燃料電池の発熱量に対して冷却液冷却手段での放熱量が一時的に過大あるいは過小となるといった事態を招くことなく、燃料電池の温度制御を適切に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
本発明を適用した燃料電池冷却システムの一構成例を図１に示す。この燃料電池冷却システムは、燃料電池スタック１に冷却液を循環供給して燃料電池スタック１の温度調整を行うものである。
【００１２】
燃料電池スタック１は、燃料ガス（水素）が供給される燃料極と酸化剤ガス（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を電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、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て、空気極側にそれぞれ移動する。また、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され、外部に排出される。
【００１３】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。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。
【００１４】
以上のような燃料電池スタック１は、発電の際に発熱することから、耐久性を確保しながら効率の良い発電を行うためにはこれを冷却して適正な運転温度（８０℃程度）に維持する必要がある。また、そのため、図１に示す燃料電池冷却システムにより、燃料電池スタック１に冷却液を循環供給して燃料電池スタック１の温度調整を行うようにしている。なお、燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系や、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系、燃料電池スタック１を加湿するための加湿系等が接続されるが、図１ではこれらの図示を省略している。
【００１５】
この図１に示す燃料電池冷却システムにおいて、燃料電池スタック１には、この燃料電池スタック１に循環供給される冷却液の流路である冷却液循環流路２が接続されている。この冷却液循環流路２には、燃料電池スタック１によって暖められた冷却液を冷却するラジエータ３が接続されており、その近傍にはラジエータ３に送風してラジエータ３での冷却能力を変化させるラジエータファン４が設置されている。
【００１６】
また、冷却液循環流路２には、ラジエータ３を迂回するようにバイパス流路５が接続されており、冷却液循環流路２とバイパス流路５との分岐位置には、開度の変化によってラジエータ３を通過する冷却液流量とバイパス流路５を通過する冷却液流量との比を変化させる三方弁６が設置されている。また、冷却液循環流路２には、冷却液を循環させるための冷却液供給ポンプ７が設置されている。
【００１７】
そして、この燃料電池冷却システムにおける動作、具体的には、ラジエータファン４の回転数や三方弁６の開度、冷却液供給ポンプ７の動作等は、コントローラ１００によって制御されるようになっている。
【００１８】
コントローラ１００は、例えば、Ｉ/Ｏインタフェース、プログラムＲＯＭ、ワークＲＡＭ、及びＣＰＵを備えたマイクロプロセッサで構成されている。このコントローラ１００には、燃料電池スタック１の電流値及び電圧値を検出する発電量センサ１１の出力や、燃料電池スタック１の入口近傍における冷却液温度を検出する入口側冷却液温度センサ１２の出力、燃料電池スタック１の出口近傍における冷却液温度を検出する出口側冷却液温度センサ１３の出力、ラジエータ３に送風される空気温度を検出するラジエータ通過空気温度センサ１４の出力がそれぞれ入力される。また、本実施形態の燃料電池冷却システムは燃料電池自動車等の移動体に搭載されるものであり、コントローラ１００には、この移動体の移動速度を検出する速度センサ１５の出力も入力される。
【００１９】
そして、コントローラ１００は、これらのセンサからのセンサ信号に基づいて各種演算処理を行い、予めラジエータファン回転数に対して決められているデューティ比となるようなＰＷＭ信号をラジエータファン４に対して出力する。同様に、コントローラ１００は、予め三方弁開度に対して決められているデューティ比となるようなＰＷＭ信号を三方弁６に対して出力し、また、予め冷却液流量に対して決められているデューティ比となるようなＰＷＭ信号を冷却液供給ポンプ７に対して出力する。
【００２０】
図２は、本発明を適用した燃料電池冷却システムにおけるコントローラ１００の機能構成を示す制御ブロック図である。図２に示すように、このコントローラ１００は、燃料電池入口冷却液温度判定手段１０１と、燃料電池出口冷却液温度判定手段１０２と、燃料電池温度算出手段１０３と、ラジエータ通過空気温度判定手段１０４と、移動速度判定手段１０５と、目標放熱量算出手段１０６と、冷却液冷却制御手段１０７と、ラジエータファン回転数制御手段１０８と、三方弁開度制御手段１０９と、冷却液供給ポンプ制御手段１１０とを有している。そして、冷却液冷却制御手段１０７が、より詳細な機能構成として、燃料電池発電量算出手段１１１と、目標冷却液流量算出手段１１２と、対冷却液流量用補正係数算出手段１１３と、対移動速度用補正係数算出手段１１４と、ゲイン算出手段１１５と、目標放熱量補正手段１１６と、ラジエータファン目標回転数算出手段１１７と、三方弁目標開度算出手段１１８とを有している。このコントローラ１００の概略動作は、以下の通りである。
【００２１】
燃料電池出口冷却液温度判定手段１０１は、入口側冷却液温度センサ１２の検出値を読み取って、その検出値に基づき燃料電池スタック１の入口近傍における冷却液温度を判定する。
【００２２】
燃料電池出口冷却液温度判定手段１０２は、出口側冷却液温度センサ１３の検出値を読み取って、その検出値に基づき燃料電池スタック１の出口近傍における冷却液温度を判定する。
【００２３】
燃料電池温度算出手段１０３は、燃料電池入口冷却液温度判定手段１０１で判定した燃料電池スタック１の入口近傍における冷却液温度［℃］と、燃料電池出口冷却液温度判定手段１０２で判定した燃料電池スタック１の出口近傍における冷却液温度［℃］とに基づいて、燃料電池スタック１の温度［℃］を算出する。
【００２４】
ラジエータ通過空気温度判定手段１０４は、ラジエータ通過空気温度センサ１４の検出値を読み取って、その検出値に基づきラジエータ３を通過する空気の温度［℃］を判定する。
【００２５】
移動速度判定手段１０５は、速度センサ１５の検出値を読み取って、この検出値に基づき移動体の移動速度［ｋｍ／ｈ］を判定する。
【００２６】
目標放熱量算出手段１０６は、燃料電池温度算出手段１０３で算出した燃料電池スタック１の温度［℃］と、冷却液冷却制御手段１０７のゲイン算出手段１１５で算出される対ラジエータ通過空気温度用補正ゲインと、予め設定された燃料電池スタック１の目標温度［℃］とに基づくＰＩ制御により、ラジエータ３における放熱量の補正前の目標値（補正前目標放熱量）［ｋｗ］を算出する。
【００２７】
冷却液冷却制御手段１０７の燃料電池発熱量算出手段１１１は、発電量センサ１１の検出値（燃料電池スタック１の電流値及び電圧値）を読み取って、この検出値に基づき燃料電池スタック１の発熱量［ｋｗ］を算出する。
【００２８】
目標冷却液流量算出手段１１２は、燃料電池発熱量算出手段１１１で算出した燃料電池スタック１の発熱量［ｋｗ］に基づいて、燃料電池スタック１への冷却液供給流量の目標値（目標冷却液流量）［Ｌ／ｍｉｎ］を算出する。
【００２９】
対冷却液流量用補正係数算出手段１１３は、目標冷却液流量算出手段１１２で算出した目標冷却液流量［Ｌ／ｍｉｎ］に基づいて、対冷却液流量用補正係数を算出する。
【００３０】
対移動速度用補正係数算出手段１１４は、移動速度判定手段１０５で判定した移動体の移動速度［ｋｍ／ｈ］に基づいて、対移動速度用補正係数を算出する。
【００３１】
ゲイン算出手段１１５は、ラジエータ通過空気温度判定手段１０４で判定したラジエータ３を通過する空気の温度［℃］に基づいて、対ラジエータ通過空気温度用補正ゲインを算出する。
【００３２】
目標放熱量補正手段１１６は、目標放熱量算出手段１０６で算出された補正前目標放熱量［ｋｗ］を、対冷却液流量用補正係数算出手段１１３で算出された対冷却液流量用補正係数と、対移動速度用補正係数算出手段１１４で算出された対移動速度用補正係数とで補正して、ラジエータ３における放熱量の補正後の目標値（補正後目標放熱量）［ｋｗ］を算出する。
【００３３】
ラジエータファン目標回転数算出手段１１７は、目標放熱量補正手段１１６で算出した補正後目標放熱量［ｋｗ］に基づいて、ラジエータファン４の回転数の目標値（ラジエータファン目標回転数）［ｒｐｍ］を算出する。
【００３４】
三方弁目標開度算出手段１１８は、目標放熱量補正手段１１６で算出した補正後目標放熱量［ｋｗ］に基づいて、三方弁６の開度の目標値（三方弁目標開度）［ｄｅｇ］を算出する。
【００３５】
ラジエータファン回転数制御手段１０８は、ラジエータファン４の回転数がラジエータファン目標回転数算出手段１１７で算出したラジエータファン目標回転数［ｒｐｍ］となるように、ラジエータファン４に対して駆動信号を出力する。
【００３６】
三方弁開度制御手段１０９は、三方弁６の開度が三方弁目標開度算出手段１１８で算出した三方弁目標開度［ｄｅｇ］となるように、三方弁６に対して駆動信号を出力する。
【００３７】
冷却液供給ポンプ制御手段１１０は、燃料電池スタック１に循環供給される冷却液の流量が目標冷却液流量算出手段１１２で算出した目標冷却液流量［Ｌ／ｍｉｎ］となるように、冷却液供給ポンプ７に対して駆動信号を出力する。
【００３８】
ここで、以上のようなコントローラ１００により実行される制御の詳細について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。この図３に示す制御フローは、マイクロプロセッサ等を利用したコントローラ１００の制御周期（例えば、１０ｍｓｅｃ）毎に実行されるものである。
【００３９】
まず、ステップＳ１０１において、発電量センサ１１により検出される燃料電池スタック１の発電量［ｋｗ］から、燃料電池スタック１の発熱量を算出する。具体的には、水素１ｍｏｌが燃料電池反応した場合のエンタルピ変化ΔＨ［ｋＪ／ｍｏｌ］と、ファラデー定数Ｆ［Ｃ／ｍｏｌ］と、燃料電池スタック１の単セルを流れる電流Ｉ［Ａ］と、燃料電池スタック１の単セルの電圧Ｖ［Ｖ］と、燃料電池スタック１のセル数Ｎとから、下記式（１）にて燃料電池スタック１の発熱量を算出する。
【数１】
0004677715.tif 000002
【００４０】
次に、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で算出した燃料電池スタック１の発熱量に基づいて、例えば図４に示すようなテーブルを用いることで、目標冷却液流量Ｑｔ，ｎ［Ｌ／ｍｉｎ］を算出する。ここで、テーブルデータは、燃料電池スタック１の発熱量が大きいほど冷却液流量が増加するような傾向となるように定める。各値の設定は、例えば実機を用いた実験等によって定めることができる。
【００４１】
次に、ステップＳ１０３において、入口側冷却液温度センサ１２の検出値から燃料電池スタック１の入口近傍における冷却液温度Ｔｉｎ［℃］を判定すると共に、出口側冷却液温度センサ１３の検出値から燃料電池スタック１の出口近傍における冷却液温度Ｔｏｕｔ［℃］を判定する。
【００４２】
次に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で判定した燃料電池入口冷却液温度Ｔｉｎ［℃］と燃料電池出口冷却液温度Ｔｏｕｔ［℃］とを用いて、下記式（２）にて燃料電池スタック１の温度ＴＦＣ［℃］を算出する。
【００４３】
ＴＦＣ＝（Ｔｉｎ＋Ｔｏｕｔ）／２  ・・・（２）
次に、ステップＳ１０５において、ステップＳ１０４で算出した燃料電池温度ＴＦＣ［℃］から、燃料電池スタック１の発電効率が最も高くなる最適値として予め定められた燃料電池目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ［℃］を減算して、燃料電池温度偏差ΔＴ［℃］を算出する。
【００４４】
次に、ステップＳ１０６において、ラジエータ通過空気温度センサ１４の検出値から、ラジエータ３を通過する空気の温度Ｔａｉｒ［℃］を判定する。
【００４５】
次に、ステップＳ１０７において、ステップＳ１０６で判定したラジエータ通過空気温度Ｔａｉｒ［℃］に基づいて、例えば図５に示すようなテーブルを用いることで、燃料電池温度制御用ゲイン（対ラジエータ通過空気温度用補正ゲイン）ＧＦＣ［‐］を算出する。ここで、テーブルデータは、ラジエータ通過空気温度Ｔａｉｒ［℃］が基準温度Ｔｃａｉｒ［℃］と等しい場合を１として、ラジエータ通過空気温度Ｔａｉｒ［℃］が高いほどゲインＧＦＣ［‐］が大きくなる傾向となるように定める。各値の設定は、例えば実機を用いた実験等によって定めることができる。
【００４６】
次に、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０７で算出したゲインＧＦＣ［‐］とＰＩ制御の比例ゲインＧＰ’［‐］を乗算して、補正後比例ゲインＧＰ［‐］を算出する。ここで、比例ゲインＧＰ’［‐］は、ラジエータ通過空気温度Ｔａｉｒ［℃］が基準温度Ｔｃａｉｒ［℃］の場合のゲインを、燃料電池スタック１の温度ＴＦＣ［℃］が燃料電池目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ［℃］となるように制御できるように、実機を用いた実験等によって定める。
【００４７】
次に、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０７で算出したゲインＧＦＣ［‐］とＰＩ制御の積分ゲインＧＩ’［‐］を乗算して、補正後積分ゲインＧＩ［‐］を算出する。ここで、積分ゲインＧＩ’［‐］は、比例ゲインＧＰ’［‐］と同様に、ラジエータ通過空気温度Ｔａｉｒ［℃］が基準温度Ｔｃａｉｒ［℃］の場合のゲインを、燃料電池スタック１の温度ＴＦＣ［℃］が燃料電池目標温度Ｔｔａｒｇｅｔ［℃］となるように制御できるように、実機を用いた実験等によって定める。
【００４８】
次に、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０８で算出した補正後比例ゲインＧＰ［‐］とステップＳ１０９で算出した補正後積分ゲインＧＩ［‐］とを用いて、ステップＳ１０５で算出した燃料電池温度偏差ΔＴ［℃］を小さくするようにＰＩ制御を行い、補正前目標放熱量Ｃｔ’［ｋｗ］を算出する。
【００４９】
次に、ステップＳ１１１において、速度センサ１５の検出値から、移動体の移動速度ＶＦＣ［ｋｍ／ｈ］を判定する。
【００５０】
次に、ステップＳ１１２において、ステップＳ１０２で算出した目標冷却液流量Ｑｔ，ｎ［Ｌ／ｍｉｎ］に基づいて、例えば図６に示すようなテーブルを用いることで、対冷却液流量用補正係数ＫＱ［‐］を算出する。ここで、テーブルデータは、目標冷却液流量Ｑｔ，ｎ［Ｌ／ｍｉｎ］が小さいほど対冷却液流量用補正係数ＫＱ［‐］が大きくなる傾向となるように定める。各値の設定は、例えば実機を用いた実験等によって定めることができる。
【００５１】
次に、ステップＳ１１３において、ステップＳ１１１で判定した移動体の移動速度ＶＦＣ［ｋｍ／ｈ］に基づいて、例えば図７に示すようなテーブルを用いることで、対移動速度用補正係数ＫＶ［‐］を算出する。ここで、テーブルデータは、移動体の移動速度ＶＦＣ［ｋｍ／ｈ］が小さいほど対移動速度用補正係数ＫＶ［‐］が大きくなる傾向となるように定める。各値の設定は、例えば実機を用いた実験等によって定めることができる。
【００５２】
次に、ステップＳ１１４において、ステップＳ１１０で算出した補正前目標放熱量Ｃｔ’［ｋｗ］と、ステップＳ１１２で算出した対冷却液流量用補正係数ＫＱ［‐］と、ステップＳ１１３で算出した対移動速度用補正係数ＫＶ［‐］とを乗算して、補正後目標放熱量Ｃｔ［ｋｗ］を算出する。
【００５３】
次に、ステップＳ１１５において、ステップＳ１１４で算出した補正後目標放熱量Ｃｔ［ｋｗ］に基づいて、例えば図８に示すようなテーブルを用いることで、ラジエータファン目標回転数Ｒｔａｒｇｅｔ［ｒｐｍ］を算出する。ここで、テーブルデータは、補正後目標放熱量Ｃｔ［ｋｗ］が大きいほどラジエータファン目標回転数Ｒｔａｒｇｅｔ［ｒｐｍ］が大きくなる傾向となるように定める。各値の設定は、例えば実機を用いた実験等によって定めることができる。
【００５４】
次に、ステップＳ１１６において、ステップＳ１１４で算出した補正後目標放熱量Ｃｔ［ｋｗ］に基づいて、例えば図９に示すようなテーブルを用いることで、三方弁目標開度Ｄｔａｒｇｅｔ［ｄｅｇ］を算出する。ここで、テーブルデータは、補正後目標放熱量Ｃｔ［ｋｗ］が大きいほど三方弁目標開度Ｄｔａｒｇｅｔ［ｄｅｇ］が大きくなる傾向となるように定める。各値の設定は、例えば実機を用いた実験等によって定めることができる。
【００５５】
次に、ステップＳ１１７において、燃料電池スタック１への冷却液供給流量がステップＳ１０２で算出した目標冷却液流量Ｑｔ，ｎ［Ｌ／ｍｉｎ］となるようにデューティ比を算出する。そして、このデューティ比に基づいて冷却液供給ポンプ７を駆動するためのＰＷＭ信号が出力される。
【００５６】
次に、ステップＳ１１８において、三方弁６の開度がステップＳ１１６で算出した三方弁目標開度Ｄｔａｒｇｅｔ［ｄｅｇ］となるようにデューティ比を算出する。そして、このデューティ比に基づいて三方弁６を駆動するためのＰＷＭ信号が出力される。
【００５７】
次に、ステップＳ１１９において、ラジエータファン４の回転数がステップＳ１１５で算出したラジエータファン目標回転数Ｒｔａｒｇｅｔ［ｒｐｍ］となるようにデューティ比を算出する。そして、このデューティ比に基づいてラジエータファン４を駆動するためのＰＷＭ信号が出力される。
【００５８】
本発明を適用した燃料電池冷却システムでは、コントローラ１００により以上の処理が実行されることによって、燃料電池スタック１の温度制御を適切に行って燃料電池スタック１を適正な運転温度に維持することができる。これにより、燃料電池スタック１は、効率の良い発電を継続的に行うことが可能となる。
【００５９】
ここで、図１０乃至図１２を参照して、本発明を適用した場合の燃料電池スタック１の温度制御の様子を、従来のもの（単純に温度でフィードバック制御した場合）と比較しながら説明する。なお、図１０及び図１１において、実線で示すグラフが本発明を適用した場合（実施例）のグラフであり、破線で示すグラフが従来技術を適用した場合（比較例）のグラフである。
【００６０】
比較例では、図１０（ａ）及び図１１（ａ）に示すように、時刻ｔ０で燃料電池スタック１での発熱量がステップ的に増加して冷却液の温度が上昇した場合、図１０（ｃ）及び図１１（ｃ）の破線グラフで示すように、燃料電池スタック１の目標温度と燃料電池スタック１の温度との偏差が大きくなるので、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）の破線グラフで示すように、ラジエータ３での放熱量の大きさが増加するように三方弁６の開度が変化する。
【００６１】
ここで、一般的にラジエータ３を通過する冷却液流量とラジエータ３での単位時間当たりの放熱量との関係は、図１２に示すような非線形の関係となるが、今、ラジエータ３を通過する冷却液流量が図１２中のａで示す流量であるとすると、冷却液流量の変化量に対してラジエータ３での放熱量の増加率が大きいので、上記三方弁６の開度変化によって、図１０（ａ）の破線グラフで示すように、燃料電池スタック１での発熱量に対してラジエータ３での放熱量が一時的に過大となり、図１０（ｃ）の破線グラフで示すように、燃料電池スタック１の目標温度に対して燃料電池スタック１の温度が低下してしまい、燃料電池スタック１の発電効率が低下するという問題が生じる。
【００６２】
また、ラジエータ３を通過する冷却液流量が図１２中のｂで示す流量であるとすると、冷却液流量の変化量に対してラジエータ３での放熱量の増加率が小さいので、上記三方弁６の開度変化によって、図１１（ａ）の破線グラフで示すように、燃料電池スタック１での発熱量に対してラジエータ３での放熱量が一時的に過小となり、図１１（ｃ）の破線グラフで示すように、燃料電池スタック１の目標温度に対して燃料電池スタック１の温度が上昇してしまい、燃料電池スタック１の耐久性が悪化するという問題が生じる。
【００６３】
また、同様に、ラジエータファン４の回転数を変化させた場合についても、ラジエータファン４の回転数とラジエータ３での単位時間当たりの放熱量との関係が非線形であり、燃料電池スタック１での発熱量に対してラジエータ３での放熱量が一時的に過大あるいは過小となるので、三方弁６の開度を変化させた場合と同様の問題が生じることになる。
【００６４】
また、ラジエータ３での放熱量を変化させる手法として、ラジエータファン４の回転数を変化させる手法と三方弁６の開度を変化させる手法との２つの手法があるが、これら２つの手法を同時に行ってラジエータ３での放熱量を所望の放熱量に制御しようとすると、一方の手法によるラジエータ３での放熱量の変化が他方に干渉してしまうので、ラジエータファン３の回転数と三方弁６の開度の双方が振動的に変化する状態となる。その結果、燃料電池スタック１の温度を目標温度に制御することが極めて困難となり、燃料電池スタック１の発電効率の低下や、燃料電池スタック１の耐久性の悪化を招くことになる。
【００６５】
これに対して、本発明を適用した場合（実施例）では、以上のような比較例での問題が解消されることになる。すなわち、実施例では、時刻ｔ０で燃料電池スタック１での発熱量がステップ的に増加して冷却液の温度が上昇した場合、図１０（ｃ）及び図１１（ｃ）の実線グラフで示すように、燃料電池スタック１の目標温度と燃料電池スタック１の温度との偏差が大きくなるので、図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）の実線グラフで示すように、ラジエータ３での放熱量の大きさが増加するように三方弁６の開度が変化する。
【００６６】
ここで、ラジエータ３を通過する冷却液流量が図１２中のａで示す流量であるとすると、冷却液流量の変化量に対してラジエータ３での放熱量の増加率が大きいが、実施例では目標放熱量に基づいて三方弁６の開度を制御しているので、上記三方弁６の開度変化によって、図１０（ａ）の実線グラフで示すように、燃料電池スタック１での発熱量に対してラジエータ３での放熱量が応答よく追従することになり、図１０（ｃ）の実線グラフで示すように、燃料電池スタック１の温度を迅速に目標温度に近付けることができ、比較例で懸念されるような燃料電池スタック１の発電効率低下という問題を解消できる。
【００６７】
また、ラジエータ３を通過する冷却液流量が図１２中のｂで示す流量であるとすると、冷却液流量の変化量に対してラジエータ３での放熱量の増加率が小さいが、この場合も、実施例では目標放熱量に基づいて三方弁６の開度を制御しているので、上記三方弁６の開度変化によって、図１１（ａ）の実線グラフで示すように、燃料電池スタック１での発熱量に対してラジエータ３での放熱量が応答よく追従することになり、図１１（ｃ）の実線グラフで示すように、燃料電池スタック１の温度を迅速に目標温度に近付けることができ、比較例で懸念されるような燃料電池スタック１の耐久性悪化という問題を解消できる。
【００６８】
また、同様に、ラジエータファン４の回転数を変化させた場合についても、ラジエータファン４の回転数とラジエータ３での単位時間当たりの放熱量の関係が非線形であるが、本実施例では目標放熱量に基づいてラジエータファン４の回転数を制御しているので、三方弁６の開度を変化させた場合と同様に、燃料電池スタック１での発熱量に対してラジエータ３での放熱量を応答よく追従させて、比較例で懸念されるような問題を解消することができる。
【００６９】
また、ラジエータ３での放熱量を変化させる手法として、ラジエータファン４の回転数を変化させる手法と三方弁６の開度を変化させる手法との２つの手法があるが、ラジエータファン４の回転数と三方弁６の開度との何れか一方は固定とし、他方をラジエータ３での目標放熱量に基づいて制御するようにすれば、一方の手法によるラジエータ３での放熱量の変化が他方に干渉してラジエータファン４の回転数と三方弁６の開度の双方が振動的に変化するといった不都合を防止できる。その結果、燃料電池スタック１の温度制御を更に高精度に行うことができ、燃料電池スタック１の発電効率の低下や、燃料電池スタック１の耐久性の悪化といった問題を、より有効に抑制することができる。
【００７０】
以上説明したように、本発明を適用した燃料電池冷却システムによれば、コントローラ１００での処理によって、まず、燃料電池スタック１の温度が目標温度となるようにラジエータ３における放熱量の目標値が算出され、この目標放熱量に基づいてラジエータファン４の目標回転数や三方弁６の目標開度が算出されて、それに応じてラジエータファン４の回転数や三方弁６の開度が制御されるので、ラジエータファン４の回転数や三方弁６の開度に対するラジエータ３での放熱量の関係が非線形であっても、燃料電池スタック１の発熱量に対してラジエータ３での放熱量が一時的に過大あるいは過小となるといった事態を招くことなく、燃料電池スタック１の温度制御を適切に行うことができる。
【００７１】
また、本発明を適用した燃料電池冷却システムでは、コントローラ１００での処理によって、ラジエータファン４の目標回転数と三方弁６の目標開度との何れか一方を固定値として算出することにより、ラジエータファン４の回転数と三方弁６の開度とを同時に変化させた場合に、一方の変化によるラジエータ３での放熱量の変化が他方の目標値に影響を与えるといった不都合を抑制することができるので、ラジエータファン４の回転数と三方弁６の開度が振動的に変化することを有効に防止して、燃料電池スタック１の温度制御を更に高精度に行うことができる。
【００７２】
また、本発明を適用した燃料電池冷却システムでは、ラジエータ３やラジエータファン４、三方弁６を用いて冷却液の温度を調整し、この冷却液を燃料電池スタック１に供給することで燃料電池スタック１の温度制御を行うようにしているので、当該燃料電池冷却システムを燃料電池車両に搭載することを想定した場合に、車両としては一般的なラジエータ及びラジエータファンを用いることで量産効果によるコスト低減を図ることができ、また、僅かな電力で動作する三方弁を用いることで消費電力の低減を実現できる。
【００７３】
また、本発明を適用した燃料電池システムでは、ラジエータ３での目標放熱量が所定値以下の場合には、ラジエータファン４の回転数をゼロで固定して目標放熱量を実現できる三方弁６の開度を算出し、目標放熱量が所定値を上回る場合には、三方弁６の開度をラジエータ３を通過する冷却液流量が最大となるように固定して目標放熱量を実現できるラジエータファン４の回転数を算出することにより、ラジエータ３での目標放熱量が所定値以下の場合には、消費電力の大きいラジエータファン４を用いず、消費電力の小さい三方弁６の開度変化のみで目標放熱量を達成できるので、当該燃料電池冷却システムで消費する電力を抑えることができる。
【００７４】
また、本発明を適用した燃料電池冷却システムでは、燃料電池スタック１の発電量に基づいて冷却液供給ポンプ７の動作を制御して、燃料電池スタック１に供給する冷却液の流量を変化させるようにしているので、燃料電池スタック１における冷却液入口側の温度と冷却液出口側の温度との差を所定範囲内に抑えて、燃料電池スタック１全体の温度ばらつきを抑制することができる。
【００７５】
また、本発明を適用した燃料電池冷却システムでは、燃料電池スタック１に供給される冷却液流量が小さいほどラジエータ３での目標放熱量が大きくなるように、目標放熱量を補正するようにしているので、冷却液流量が変化した場合でも、ラジエータ３での実際の放熱量が所定の値（補正前の目標放熱量）となるように、三方弁６の開度やラジエータファン４の回転数を適切に制御でき、燃料電池スタック１の温度制御をより高精度に行うことができる。
【００７６】
また、本発明を適用した燃料電池冷却システムでは、当該燃料電池冷却システムが移動体に搭載されている場合には、移動体の移動速度が遅いほどラジエータ３での目標放熱量が大きくなるように、目標放熱量を補正するようにしているので、移動体の移動速度が変化した場合でも、ラジエータ３での実際の放熱量が所定の値（補正前の目標放熱量）となるように、三方弁６の開度やラジエータファン４の回転数を適切に制御でき、燃料電池スタック１の温度制御をより高精度に行うことができる。
【００７７】
また、本発明を適用した燃料電池冷却システムでは、燃料電池スタック１の目標温度と実際の温度との偏差に基づいてフィードバック制御により目標放熱量を算出するようにしており、ラジエータ３を通過する空気温度が高いほど前記フィードバック制御のフィードバックゲインを大きくしているので、ラジエータ３を通過する空気温度が変化した場合でも、簡便な手法で燃料電池スタック１の温度制御を精度良く行うことができる。すなわち、ラジエータ３を通過する空気温度が高い場合には、三方弁６の開度やラジエータファン４の回転数の変化量に対するラジエータ３での放熱量の変化量が小さくなるが、フィードバックゲインを大きくすることで目標放熱量の変化量を大きくできるので、三方弁６の開度やラジエータファン４の回転数を応答性良く制御することが可能となる。
【００７８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池冷却システムは、基本構成を上述した第１の実施形態と同様とし、コントローラ１００による制御内容が、第１の実施形態とは若干異なるものである。すなわち、上述した第１の実施形態では、コントローラ１００が、ラジエータ３を通過する空気の温度に基づいてＰＩ制御の補正ゲインを求め、これを用いてラジエータ３での目標放熱量を算出するようにしていたが、本実施形態では、ラジエータ３を通過する空気の温度に基づいてラジエータ３での目標放熱量を補正するための補正係数を求め、これを用いて目標放熱量を補正するようにしている。その他の構成及びコントローラ１００の制御内容は第１の実施形態と同様であるので、以下、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明し、第１の実施形態と同様の部分については説明を省略する。
【００７９】
図１３は、本実施形態の燃料電池冷却システムにおけるコントローラ１００の機能構成を示す制御ブロック図である。図１３に示すように、本実施形態では、コントローラ１００の冷却液冷却制御手段１０７が、第１の実施形態のゲイン算出手段１１５に代えて対空気温度用補正係数算出手段１１９を有している。この対空気温度用補正係数算出手段１１９は、ラジエータ通過空気温度判定手段１０４で判定したラジエータ３を通過する空気の温度［℃］に基づいて、対ラジエータ通過空気温度用補正係数を算出する。
【００８０】
また、本実施形態では、目標放熱量算出手段１０６が、燃料電池温度算出手段１０３で算出した燃料電池スタック１の温度［℃］と、予め設定された燃料電池スタック１の目標温度［℃］とに基づくＰＩ制御により、ラジエータ３における放熱量の補正前の目標値（補正前目標放熱量）［ｋｗ］を算出する。
【００８１】
また、本実施形態では、冷却液冷却制御手段１０７の目標放熱量補正手段１１６が、目標放熱量算出手段１０６で算出された補正前目標放熱量［ｋｗ］を、対冷却液流量用補正係数算出手段１１３で算出された対冷却液流量用補正係数と、対移動速度用補正係数算出手段１１４で算出された対移動速度用補正係数と、対空気温度用補正係数算出手段１１９で算出された対ラジエータ通過空気温度用補正係数とで補正して、ラジエータ３における放熱量の補正後の目標値（補正後目標放熱量）［ｋｗ］を算出する。そして、この補正後目標放熱量［ｋｗ］に基づいて、ラジエータファン目標回転数算出手段１１７がラジエータファン４の目標回転数［ｒｐｍ］を算出し、三方弁目標開度算出手段１１８が三方弁６の目標開度［ｄｅｇ］を算出する。
【００８２】
図１４は、以上のようなコントローラ１００により実行される制御の詳細を示すフローチャートである。この図１４に示す制御フローは、マイクロプロセッサ等を利用したコントローラ１００の制御周期（例えば、１０ｍｓｅｃ）毎に実行されるものである。
【００８３】
この図１４に示す制御フローにおいて、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６までの処理は、図３に示した第１の実施形態の制御フローにおけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの処理と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００８４】
ステップＳ２０７では、ステップＳ２０６で判定したラジエータ通過空気温度Ｔａｉｒ［℃］に基づいて、例えば図１５に示すようなテーブルを用いることで、対ラジエータ通過空気温度用補正係数Ｋｔ［‐］を算出する。ここで、テーブルデータは、ラジエータ通過空気温度Ｔａｉｒ［℃］が高いほど対ラジエータ通過空気温度用補正係数Ｋｔ［‐］が大きくなる傾向となるように定める。各値の設定は、例えば実機を用いた実験等によって定めることができる。
【００８５】
次に、ステップＳ２０８では、ステップＳ２０５で算出した燃料電池温度偏差ΔＴ［℃］を小さくするようにＰＩ制御を行い、補正前目標放熱量Ｃｔ’［ｋｗ］を算出する。
【００８６】
ステップＳ２０９〜ステップＳ２１１までの処理は、図３に示した第１の実施形態の制御フローにおけるステップＳ１１１〜ステップＳ１１３までの処理と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００８７】
ステップＳ２１２では、ステップＳ２０８で算出した補正前目標放熱量Ｃｔ’［ｋｗ］と、ステップＳ２０７で算出した対ラジエータ通過空気温度用補正係数Ｋｔ［‐］と、ステップＳ２１０で算出した対冷却液流量用補正係数ＫＱ［‐］と、ステップＳ２１１で算出した対移動速度用補正係数ＫＶ［‐］とを乗算して、補正後目標放熱量Ｃｔ［ｋｗ］を算出する。
【００８８】
ステップＳ２１３〜ステップＳ２１７までの処理は、図３に示した第１の実施形態の制御フローにおけるステップＳ１１５〜ステップＳ１１９までの処理と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００８９】
以上のように、本実施形態の燃料電池冷却システムでは、ラジエータ３を通過する空気の温度に基づいてラジエータ３での目標放熱量を補正するための補正係数を求め、この補正係数を用いて、ラジエータ３を通過する空気温度が高いほどラジエータ３での目標放熱量が大きくなるように、目標放熱量を補正するようにしているので、第１の実施形態で説明した効果に加えて、ラジエータ３を通過する空気の温度が変化した場合でも、ラジエータ３での実際の放熱量が所定の値（補正前の目標放熱量）となるように、三方弁６の開度やラジエータファン４の回転数を適切に制御でき、燃料電池スタック１の温度制御をより高精度に行うことができるといった効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明を適用した燃料電池冷却システムの一構成例を示す図である。
【図２】前記燃料電池冷却システムが備えるコントローラの機能構成を示す制御ブロック図である。
【図３】前記コントローラにより実行される制御の詳細を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池スタックの発熱量に基づいて目標冷却液流量を算出するためのテーブルを示す図である。
【図５】ラジエータ通過空気温度に基づいて燃料電池温度制御用ゲインを算出するためのテーブルを示す図である。
【図６】目標冷却液流量に基づいて対冷却液流量用補正係数を算出するためのテーブルを示す図である。
【図７】移動体の移動速度に基づいて対移動速度用補正係数を算出するためのテーブルを示す図である。
【図８】補正後目標放熱量に基づいてラジエータファン目標回転数を算出するためのテーブルを示す図である。
【図９】補正後目標放熱量に基づいて三方弁目標開度を算出するためのテーブルを示す図である。
【図１０】三方弁開度に対する放熱量感度が高い場合における燃料電池スタックの温度制御の様子を、本発明を適用した場合と従来技術を適用した場合とを比較しながら説明する図であり、（ａ）はラジエータにおける放熱量の変化の様子を示し、（ｂ）は三方弁開度の変化の様子を示し、（ｃ）は燃料電池スタックの温度変化の様子を示す。
【図１１】三方弁開度に対する放熱量感度が低い場合における燃料電池スタックの温度制御の様子を、本発明を適用した場合と従来技術を適用した場合とを比較しながら説明する図であり、（ａ）はラジエータにおける放熱量の変化の様子を示し、（ｂ）は三方弁開度の変化の様子を示し、（ｃ）は燃料電池スタックの温度変化の様子を示す。
【図１２】ラジエータを通過する冷却液流量とラジエータでの放熱量との関係を示す特性図である。
【図１３】第２の実施形態の燃料電池冷却システムが備えるコントローラの機能構成を示す制御ブロック図である。
【図１４】第２の実施形態のコントローラにより実行される制御の詳細を示すフローチャートである。
【図１５】ラジエータ通過空気温度に基づいて対ラジエータ通過空気温度用補正係数を算出するためのテーブルを示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１  燃料電池スタック
２  冷却液循環流路
３  ラジエータ
４  ラジエータファン
５  バイパス流路
６  三方弁
７  冷却液供給ポンプ
１００  コントローラ
１０３  燃料電池温度算出手段
１０４  ラジエータ通過空気温度判定手段
１０５  移動速度判定手段
１０６  目標放熱量算出手段
１０７  冷却液冷却制御手段
【図１】
0004677715.tif 000003
【図２】
0004677715.tif 000004
【図３】
0004677715.tif 000005
【図４】
0004677715.tif 000006
【図５】
0004677715.tif 000007
【図６】
0004677715.tif 000008
【図７】
0004677715.tif 000009
【図８】
0004677715.tif 000010
【図９】
0004677715.tif 000011
【図１０】
0004677715.tif 000012
【図１１】
0004677715.tif 000013
【図１２】
0004677715.tif 000014
【図１３】
0004677715.tif 000015
【図１４】
0004677715.tif 000016
【図１５】
0004677715.tif 000017