(57)【要約】【課題】燃料電池車両のアイドル停止中に、ラジエター近傍の冷媒が過冷却されることを防止する。【解決手段】燃料電池１４が発電をしていないアイドル停止中である場合には、ポンプ用モータ４２の回転を停止させて酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４とを同時に停止させる。また、冷却ファン３８の駆動を停止しラジエター３６の作動を抑制する。ラジエター３６の作動が抑制されるので、アイドル停止中に、ラジエター３６近傍の冷媒が過冷却されることが防止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを供給する反応ガスポンプと、
供給される両反応ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に冷媒供給流路を介して冷媒を供給し冷却する冷媒ポンプと、
前記冷媒供給流路中に設けられる熱交換器と、
前記反応ガスポンプと前記冷媒ポンプを同時に駆動し、又は同時に停止させる共通の駆動源と、
前記燃料電池がアイドル停止中であるかどうかを検出するアイドル停止中検出手段と、
前記アイドル停止中検出手段によりアイドル停止中であることが検出されたとき、前記駆動源を通じて前記反応ガスポンプと前記冷媒ポンプとを同時に停止させるとともに、前記熱交換器の作動を抑制する冷却制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記熱交換器は、ファンによる送風で前記冷媒を冷却するものであり、
前記冷却制御手段は、前記ファンの作動を停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、固体高分子型である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記冷却制御手段は、前記アイドル停止中検出手段により発電中であることが検出された場合には、前記温度検出手段により検出される燃料電池温度に応じて前記熱交換器の作動を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
供給される両反応ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池に冷媒供給流路を介して冷媒を供給する冷媒ポンプと、前記冷媒供給流路中に設けられる熱交換器と、を備える燃料電池システムにおける冷却制御方法において、
前記燃料電池がアイドル停止中であるかどうかを検出するアイドル停止中検出ステップと、
前記アイドル停止中検出ステップによりアイドル停止中であることが検出されたとき、前記冷媒ポンプの作動を停止させるとともに、前記熱交換器の作動を抑制する冷却制御ステップと、
を有することを特徴とする燃料電池システムにおける冷却制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池がアイドル状態にあるときに発電を停止するアイドル停止機能を備えた燃料電池システム及び該システムにおける冷却制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
ところで、燃料電池システムを搭載し駆動源をモータ（走行用モータ）とする燃料電池車両では、イグニッションスイッチのオン状態においてアイドル状態とされることがある。燃料電池車両のアイドル状態とは、走行用モータの電気的負荷が所定時間所定値以下である状態をいう。例えば、走行用モータの回転数がゼロを含む所定の低速回転数である状態（「停止又は低速走行状態」という。）、燃料電池車両の減速時に回生制御力を発生させている状態（「回生走行状態」という。）、自動的に速度を一定に保持する走行を行っている状態（「クルーズ走行状態」という。）等が該当する。
【０００５】
このアイドル状態において、燃料電池による発電を行うと、燃料電池の発電電流のほとんどが、燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスポンプにて消費されてしまうことから燃料電池の発電効率が悪いことが知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、上記の燃料電池車両において、燃料電池が発電しているときには熱が発生することから、燃料電池を発電効率のよい所定温度範囲に保持するため燃料電池を冷却する冷媒ポンプが設けられている。
【０００７】
さらに、燃料電池車両では、燃料ガスポンプも設けられることがある（特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３５９２０４号公報（段落［０００４］、［０００５］）
【特許文献２】特開２００３−２３５１１３号公報（段落［００２５］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１に係る技術では、アイドル状態を検知した場合、酸化剤ガスポンプの駆動を停止し、また、燃料電池への燃料ガスの供給も停止する。すなわち燃料電池システムの発電を停止し、走行用モータや補機等の電気負荷を蓄電装置のエネルギにより駆動するようにする、いわゆるアイドル停止状態で動作させるようにしている。
【００１０】
上記の特許文献２に係る技術では、燃料ガスポンプ、酸化剤ガスポンプ、及び冷媒ポンプを１つのモータで駆動する技術が開示されている。
【００１１】
この発明は、このような技術に関連してなされたものであって、アイドル停止中、又は発電中に、燃料電池の冷却制御を的確に行うことを可能とする燃料電池システム及び該システムにおける冷却制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【００１３】
この発明に係る燃料電池システムは、下記の特徴（１）〜（４）を備える。
【００１４】
（１）燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方の反応ガスを供給する反応ガスポンプ（２２、５４）と、供給される両反応ガスにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池に冷媒供給流路（３２）を介して冷媒を供給し冷却する冷媒ポンプ（３４）と、前記冷媒供給流路中に設けられる熱交換器（３６）と、前記反応ガスポンプと前記冷媒ポンプを同時に駆動し、又は同時に停止させる共通の駆動源（４２）と、前記燃料電池がアイドル停止中であるかどうかを検出するアイドル停止中検出手段（５０）と、前記アイドル停止中検出手段によりアイドル停止中であることが検出されたとき、前記駆動源を通じて前記反応ガスポンプと前記冷媒ポンプとを同時に停止させるとともに、前記熱交換器の作動を抑制する冷却制御手段（５０）と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
この特徴（１）を有する発明によれば、燃料電池が発電をしていないアイドル停止中である場合には、駆動源を通じて反応ガスポンプと冷媒ポンプとを同時に停止させるとともに、熱交換器の作動を抑制するようにしているので、アイドル停止中に、熱交換器近傍の冷媒が過冷却されることを防止できる。
【００１６】
（２）上記特徴（１）を有する発明において、前記熱交換器は、ファン（３８）による送風で前記冷媒を冷却するものであり、前記冷却制御手段は、前記ファンの作動を停止して前記熱交換器の作動を抑制する。このため、熱交換器の作動を簡易な構成で抑制できる。
【００１７】
（３）上記特徴（１）又は特徴（２）を有する発明において、前記燃料電池は、固体高分子型であることを特徴とする。アイドル停止中に、ファンが作動していると、アイドル停止解除後に、冷媒ポンプの作動下に熱交換器近傍の過冷却された冷媒が燃料電池内に入ることを原因として、燃料電池内が一時的に温度が低下するが、この温度低下により発電安定性が低下する可能性を未然に防止することができる。
【００１８】
（４）上記特徴（１）を有する発明において、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（３９）をさらに備え、前記冷却制御手段は、前記アイドル停止中検出手段により発電中であることが検出された場合には、前記温度検出手段により検出される燃料電池温度に応じて前記熱交換器の作動を制御することで、発電中には、的確な冷媒制御が行える。
【００１９】
この発明に係る燃料電池システムにおける冷却制御方法は、供給される両反応ガスにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池に冷媒供給流路（３２）を介して冷媒を供給する冷媒ポンプ（３４）と、前記冷媒供給流路中に設けられる熱交換器（３６、３８）と、を備える燃料電池システム１０における冷却制御方法において、前記燃料電池がアイドル停止中であるかどうかを検出するアイドル停止中検出ステップ（Ｓ２）と、前記アイドル停止中検出ステップによりアイドル停止中であることが検出されたとき、前記冷媒ポンプの作動を停止させるとともに、前記熱交換器の作動を抑制する冷却制御ステップ（Ｓ９）と、を有することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、アイドル停止中であることが検出された場合には、熱交換器の作動を抑制しているので、熱交換器近傍の冷媒の過冷却を防止できる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、アイドル停止中又は発電中に燃料電池の冷却制御を的確に行うことができる。より具体的には、アイドル停止中に熱交換器近傍の冷媒が過冷却されることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２の概略構成図である。
【００２４】
この燃料電池車両１２は、基本的には、燃料電池１４と、この燃料電池１４の出力により駆動される走行用モータ１６とから構成される。
【００２５】
燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。
【００２６】
燃料電池１４には、一方の反応ガスである燃料ガス、例えば水素（Ｈ2）が、高圧水素を貯留する水素タンク１８から弁２０及び水素供給流路２１を介して供給されるとともに、他方の反応ガスである酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ2）を含む空気が、酸化剤ガスポンプ２２から空気供給流路２４を介して供給される。
【００２７】
燃料電池１４内で反応に使用された水素ガスは水素排出流路２６を通じて排出され、燃料電池１４内で反応に使用された空気は空気排出流路２８を通じて排出される。
【００２８】
また、燃料電池システム１０には、冷媒（冷却媒体）供給系３０が設けられ、冷媒供給系３０は、燃料電池１４に冷媒を供給する冷媒供給流路（冷媒循環流路）３２を備える。冷媒供給流路３２には、熱交換器であるラジエター３６と、ファンモータ３９の回転によりラジエター３６に冷却風を送風する冷却ファン３８と、ラジエター３６により熱交換されて冷却された冷媒を燃料電池１４内に供給する冷媒ポンプ３４と、燃料電池１４内の温度を燃料電池１４の冷媒出口の冷媒温度Ｔで代替測定するための温度センサ４１が設けられている。なお、燃料電池の温度は、冷媒温度を測定することに代替して、水素ガスの出入口の水素ガス温度、空気出入口の酸化剤ガス温度で測定することもできる。
【００２９】
燃料電池システム１０には、さらに、燃料電池１４の出力を補助し、この燃料電池１４の発電出力により充電されるとともに走行用モータ１６の回生エネルギにより充電されるキャパシタ等の蓄電装置４０が設けられている。
【００３０】
さらにまた、燃料電池システム１０には、酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４とを同時に駆動し、又は同時に停止させる共通の駆動源としての電動機であるポンプ用モータ４２が設けられ、この実施形態においては、ポンプ用モータ４２の回転軸４４に、酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４の回転軸が同軸的に固定されている。したがって、酸化剤ガスポンプと冷媒ポンプ３４の駆動・停止は、ポンプ用モータ４２の駆動・停止に対して同期的に制御されるが、駆動中の回転数は、それぞれ別個に制御可能となっている。
【００３１】
ポンプ用モータ４２と走行用モータ１６は、通常、燃料電池１４の発電中は、燃料電池１４の発電出力により駆動され、非発電中（停止中）は、蓄電装置４０の電力により駆動される。
【００３２】
さらに、燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２には、制御装置５０が設けられ、この制御装置５０により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の全ての動作が制御される。
【００３３】
制御装置５０は、コンピュータにより構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段としても動作する。この実施形態において、制御装置５０は、アイドル停止中検出手段、冷却制御手段等として機能する。
【００３４】
制御装置５０には、燃料電池車両１２の起動・停止スイッチであるイグニッションスイッチからのイグニッション信号Ｉｇ、ブレーキ信号Ｓｂ、車速Ｖｓ、及びアクセルペダルの踏み込み量Ａｐ等が供給されている。
【００３５】
基本的には、以上のように構成されるこの実施形態に係る燃料電池システム１０と燃料電池車両１２の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。
【００３６】
ステップＳ１において、操作者のイグニッションスイッチの操作によりイグニッション信号Ｉｇがオン状態とされたことを検出すると、ステップＳ２において、燃料電池車両１２がアイドル状態又はアイドル停止中であるかどうかが検出される。
【００３７】
ここで、アイドル状態とは、上述したように、イグニッション信号Ｉｇがオン状態において、走行用モータ１６の電気的負荷が所定時間所定値以下である状態をいう。例えば、走行用モータ１６の回転数がゼロを含む所定の低速回転数である状態（「停止又は低速走行状態」という。）、燃料電池車両１２の減速時に回生制御力を発生させている状態（「回生走行状態」という。）、自動的に速度を一定に保持する走行を行っている状態（「クルーズ走行状態」という。）等が該当する。
【００３８】
アイドル停止中とは、このアイドル状態が成立したとき、次のステップＳ３において、ポンプ用モータ４２が駆動停止され、かつ燃料ガス供給用の弁２０が閉じられて、燃料電池１４が停止中（非発電中）となり、ステップＳ４でのアイドル停止中フラグＦｉｓがセットされた状態をいう（Ｆｉｓ→１）。なお、ポンプ用モータ４２の駆動が停止されると、ポンプ用モータ４２の回転軸４４に固定された酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４とが同時に（共通に）停止させられる。
【００３９】
実際上、ステップＳ２の判断では、このアイドル停止中フラグＦｓｉがセット（Ｆｓｉ＝１）されているかリセット（Ｆｓｉ＝０）されているかどうかにより、アイドル停止中であるかどうかを判断する。なお、ステップＳ１でのイグニッションスイッチＳ１のオン時には、アイドル停止中フラグＦｓｉはデフォルトでリセットされている（Ｆｓｉ＝０）。
【００４０】
ステップＳ２において、アイドル停止中ではないと判断された場合には、発電中であり、ポンプ用モータ４２の駆動が継続される。なお、ステップＳ２において、アイドル停止中ではないと判断されたときに、ポンプ用モータ４２が停止していた場合には、アイドル停止からの復帰であるので、燃料ガス供給用の弁２０が開かれるとともに、ポンプ用モータ４２が再起動されることで酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４とが同時に駆動される。そのとき、ステップＳ４でセットされたアイドル停止中フラグＦｓｉが、ステップＳ６でリセットされる（Ｆｓｉ→１）。
【００４１】
燃料電池システム１０の発電時においては、燃料電池１４のカソード電極に酸化剤ガスポンプ２２から空気供給流路２４を通じて空気（酸素）が供給される一方、アノード電極に水素タンク１８から弁２０及び水素供給流路２１を通じて水素ガスが供給される。このとき、燃料電池１４内のアノード電極側で水素がイオン化され、水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード電極の方に移動する。この間に発生した電子が外部回路に発電出力として取り出される。
【００４２】
このようにして、発電中に、燃料電池１４から取り出された発電出力は、走行用モータ１６、ポンプ用モータ４２及び蓄電装置４０に供給される。
【００４３】
発電中に、この燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２において、制御装置５０は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐや車速Ｖｓ等から必要電力を算出し、この算出した必要電力に基づいて燃料電池１４、ポンプ用モータ４２、酸化剤ガスポンプ２２、冷媒ポンプ３４、ラジエター３６のファンモータ３９にそれぞれ制御信号を送出する等の各種制御を行う。
【００４４】
この発電中に、ステップＳ７において、制御装置５０は、温度センサ４１から燃料電池１４の温度Ｔを取り込み、取り込んだ温度Ｔが所定値Ｔｔｈ以上の温度であるかどうかを判断する。
【００４５】
温度Ｔが所定値Ｔｔｈ以上の温度であった場合には、ステップＳ８において、ファンモータ３９を駆動して冷却ファン３８を回転駆動し、送風によりラジエター３６の熱交換量を大きくして冷媒を冷却する。冷却された冷媒は、冷媒ポンプ３４の駆動作用下に冷媒供給流路３２を通じて燃料電池１４に供給されることで、燃料電池１４が冷却される。
【００４６】
その一方、発電中のステップＳ７の判断において、取り込んだ温度Ｔが所定値Ｔｔｈ未満の温度である場合には、ステップＳ９でファンモータ３９の駆動を停止して冷却ファン３８を停止し、熱交換器であるラジエター３６の作動を抑制する。
【００４７】
上記のステップＳ２において、アイドル状態又はアイドル停止中であると判断された場合には、ステップＳ３において、ポンプ用モータ４２の駆動が停止され（停止されていた場合には停止が継続され）、このポンプ用モータ４２の回転軸４４により同軸的に駆動される酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４の駆動が停止される（停止されていた場合には停止が継続される）。また、ステップＳ４でのアイドル停止フラグＦｉｓは、リセットされていた場合にはセットされ、セットされていた場合にはセット状態を保持する。
【００４８】
そして、アイドル停止中（ステップＳ２：ＹＥＳ）に、酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４とが駆動停止されると、ステップＳ９で冷却ファン３８が停止される。アイドル停止中に、冷却ファン３８を停止することで、ラジエター３６近傍の冷媒が過冷却されることが防止される。このように制御することにより、アイドル停止解除後に冷媒ポンプ３４が再駆動されたとき、過冷却された冷媒が燃料電池１４内に供給され、過冷却された冷媒により固体高分子電解質膜を有する固体高分子型の燃料電池１４の発電安定性が低下する可能性を確実に防止することができる。
【００４９】
図３は、この発明の他の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａを搭載する燃料電池車両１２Ａの構成を示している。この燃料電池システム１０Ａでは、水素排出流路２６と水素供給流路２１との間に、水素循環流路５２が設けられ、この水素循環流路５２中に、水素排出流路２６から排出された未使用の水素ガスを水素供給流路２１側にもどして再利用するための燃料ガス循環用の燃料ガスポンプ５４が設けられている。
【００５０】
燃料ガスポンプ５４の回転軸は、ポンプ用モータ４２の回転軸４４に同軸的に固定されている。すなわち、この実施形態において、燃料ガスポンプ５４と酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４の駆動・停止は、それぞれ同期的に制御される。なお、駆動中の回転数は、それぞれ別個に制御可能となっている。
【００５１】
この図３例の燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２においても、図２のフローチャートによる処理が適用される。すなわち、ステップＳ２においてアイドル停止中であることが判断されると、ステップＳ３においてポンプ用モータ４２の駆動が停止されることで、燃料ガスポンプ５４と酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４が同時に駆動が停止され、ステップＳ２においてアイドル停止中でないと判断された場合には、再び、ポンプ用モータ４２が駆動され、燃料ガスポンプ５４と酸化剤ガスポンプ２２と冷媒ポンプ３４とが再起動される。
【００５２】
以上説明したように、燃料電池システム１０又は燃料電池システム１０Ａは、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方を供給する反応ガスポンプ（酸化剤ガスポンプ２２又は燃料ガスポンプ５４）と、供給される両反応ガスにより発電する燃料電池１４と、燃料電池１４に冷媒供給流路３２を介して冷媒を供給して冷却する冷媒ポンプ３４と、冷媒供給流路３２中に設けられる熱交換器としてのラジエター３６と、酸化剤ガスポンプ２２及び（又は）燃料ガスポンプ５４と冷媒ポンプ３４を同時に駆動し、又は同時に停止させる共通の駆動源であるポンプ用モータ４２と、燃料電池１４がアイドル停止中であるかどうかを検出するアイドル停止中検出手段としての制御装置５０と、制御装置５０によりアイドル停止中であることが検出された場合には、ポンプ用モータ４２を通じて酸化剤ガスポンプ２２及び（又は）燃料ガスポンプ５４と冷媒ポンプ３４とを同時に停止させるとともに、ラジエター３６の作動を抑制する冷却制御手段としての制御装置５０とを備える。
【００５３】
この場合、燃料電池１４が発電をしていないアイドル停止中である場合には、共通の駆動源であるポンプ用モータ４２を通じて酸化剤ガスポンプ２２及び（又は）燃料ガスポンプ５４と冷媒ポンプ３４とを同時に停止させるとともに、冷却ファン３５の回転を停止してラジエター３６の作動を抑制するようにしているので、アイドル停止中に、ラジエター３６近傍の冷媒が過冷却されることを防止できる。
【００５４】
冷却ファン３８は、ファンモータ３９を停止させればよいので、ラジエター３６の作動を簡易な構成で抑制できる。なお、アイドル停止中に、冷却ファン３８が回転していると、アイドル停止解除後に、冷媒ポンプ３４の作動下にラジエター３６近傍の過冷却された冷媒が燃料電池１４内に入ることを原因として、燃料電池１４内が一時的に温度が低下するが、この温度低下により固体高分子型の燃料電池１４の発電安定性が低下する可能性を未然に防止することができる。
【００５５】
また、発電中であることが検出された場合には、燃料電池１４の温度Ｔに応じて冷却ファン３８の作動を制御することで、発電中には、的確な冷媒制御が行える。
【００５６】
この発明によれば、燃料電池車両１２（１２Ａ）が、アイドル停止中であるかどうかを判断するアイドル停止中検出ステップＳ２によりアイドル停止中であることが検出された場合には、冷却ファン３８を停止してラジエター３６の作動を抑制する冷却制御ステップＳ９を備えているので、アイドル停止中におけるラジエター３６近傍の冷媒の過冷却を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】この発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。
【図２】図１例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図３】この発明の他の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０、１０Ａ…燃料電池システム        １２、１２Ａ…燃料電池車両
１４…燃料電池                        ２２…酸化剤ガスポンプ
３２…冷媒供給流路                    ３４…冷媒ポンプ
３６…ラジエター                      ４２…ポンプ用モータ
５０…制御装置                        ５４…燃料ガスポンプ
【図１】
2007165088.tif 000003
【図２】
2007165088.tif 000004
【図３】
2007165088.tif 000005