(57)【要約】【課題】熱媒体の凍結の可能性を正確に判断し、熱媒体の凍結を良好に抑制するとともに、凍結防止のために要する電力の消費量を低減させることができる燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラムを提供する。【解決手段】燃料電池３００は、水素及び酸素を反応させて発電するスタック１を冷却水の循環により冷却する冷却路４と、冷却水を循環させる冷却ポンプ４０と、冷却路４に設けられ、冷却水の温度を検出する温度センサ４１と、冷却ポンプ４０の駆動を制御する制御部９とを備える。制御部９は、冷却ポンプ４により冷却水を循環させ、温度センサ４１により取得した冷却水の温度に基づいて、冷却路４に沿う冷却水の温度分布を特定し、該温度分布に基づいて冷却路４内の一部で冷却水が凍結する虞があるか否かを判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する熱媒体流路と、前記熱媒体を循環させるポンプと、該ポンプの駆動を制御する制御部とが筐体内に収容された燃料電池において、
前記熱媒体流路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する検出器を備え、
前記制御部は、
前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記検出器により取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、
該温度分布に基づいて前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記制御部は、
前記温度分布の特定を開始したときに前記検出器により取得した前記熱媒体の温度と、前記温度分布における最低温度との差に基づいて、前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記制御部は、
前記ポンプが停止している場合に、前回特定した前記温度分布と、現時点にて前記検出器により取得した前記熱媒体の温度とに基づいて、前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記筐体内又は前記筐体外の温度を測定する温度検出器を備え、
前記制御部は、
前記温度と、前記熱媒体の平均温度との差に基づいて熱移動量を算出し、
該熱移動量と、前記温度分布に基づく第１閾値とを比較して、前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する
ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記制御部は、
所定時間に実測した前記熱媒体の温度変化に基づいて、前記熱移動量を算出するためのパラメータを補正する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記制御部は、
前記熱媒体が凍結する虞があると判断した場合、前記熱媒体の平均温度が第２閾値以下であるとき、前記熱媒体流路内の前記熱媒体の温度差が第３閾値以下になるまで、前記ポンプを駆動させる
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記熱媒体を加温するヒータを備え、
前記制御部は、
前記熱媒体が凍結する虞があると判断した場合、前記ヒータにより前記熱媒体を加温しながら、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させる
ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記制御部は、
前記熱媒体流路内の前記熱媒体の平均温度が第４閾値以上になった場合に、前記ヒータによる加温を停止し、
前記熱媒体流路内の前記熱媒体の温度差が第５閾値以下になった場合に前記ポンプの駆動を停止する
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記制御部により、前記熱媒体流路内の前記熱媒体の温度差が第６閾値以上であると判断した場合に報知する手段を備える
ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記検出器の数は１である
ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより熱媒体流路内の熱媒体を循環させて冷却する燃料電池の制御方法において、
前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記熱媒体の温度を取得し、
取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、
該温度分布に基づいて、前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１２】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより熱媒体を循環させて冷却する燃料電池を制御するコンピュータに、
前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記熱媒体の温度を取得し、
取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、
該温度分布に基づいて、前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する熱媒体流路と、熱媒体を循環させるポンプと、熱媒体を加熱するヒータとを備える燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータに熱媒体の温度制御処理を実行させるためのコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
負極に水素を送って起電力を得る電池として、燃料電池、ニッケル・水素電池等が挙げられる。
燃料電池は発電効率が高く、クリーンな発電装置であり、負荷の大小に影響されず、コジェネレーションシステムを構築できるため、パーソナルコンピュータ，携帯電話機等のデジタル家電製品、電気自動車、鉄道、携帯電話の基地局、発電所等の種々の用途が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、スタックと、複数の水素ボンベと、水素循環路と、水素供給路とを有する。
スタックは、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
【０００４】
スタックにおいては、発電時に熱が発生するので、冷却を行う必要がある。従って、冷却水流路を配管により形成し、冷却水を循環させてスタックを冷却している。冷却水はポンプによりスタックに流入し、スタックの内部を通流し、熱を伝導された後、スタックから流出する。熱を伝導された冷却水は、熱交換器を通流することで放熱して冷却された後、再度スタックに流入する。また、水素ボンベに水素吸蔵合金を充填したＭＨ（Metal hydride）ボンベが用いられる場合、ＭＨボンベは所定の温度以上でなければ水素を放出できないため、スタックから流出した冷却水の熱をＭＨボンベに伝導し、ＭＨボンベを加熱することがある。
【０００５】
ここで、燃料電池を、外気の温度が氷点下になる場所で使用又は保管する場合、冷却水流路を循環する冷却水が凍結することがある。冷却水が凍結した場合、燃料電池の始動に際し、氷を溶かすために大きなエネルギーと時間とを要するという問題があり、また、冷却水流路の配管内で膨脹することにより、冷却水流路が破損する虞があるという問題もある。従って、冷却水の凍結を防止する必要がある。
【０００６】
特許文献１には、冷却水のスタックに対する入側及び出側の温度を夫々検出する２つの水温センサと、外気温を検出する外気温センサとを備え、検出された水温のうち低い方の水温と外気温とに基づき、冷却水が凍結する虞があると判断した場合、条件に応じて、ポンプによる冷却水の循環、又はヒータによる冷却水の加熱のうちの少なくとも一方を実行するように構成された燃料電池の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２９４１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１等の従来の燃料電池においては、水温センサは冷却水流路の冷却水の温度を局所的に検出することになるが、冷却水流路内において、冷却水が凝固し易い部分にはばらつきがある。従って、水温センサを設ける位置によっては、ポンプ又はヒータの駆動を開始するための温度の閾値が適切でない場合がある。即ち、冷却水が凍結する虞があるか否かの判断を正確に行えず、凍結が生じる可能性がある。また、水温センサの測定誤差等も考慮して、ヒータ駆動温度の閾値等を高めに設定する場合も含め、必要以上にポンプ及びヒータを駆動させることが多くなり、燃料電池全体として、多くの消費電力を要することになる。
【０００９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、熱媒体の凍結の可能性を正確に判断し、熱媒体の凍結を良好に抑制するとともに、凍結防止のために要する電力の消費量を低減させることができる燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラム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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する熱媒体流路と、前記熱媒体を循環させるポンプと、該ポンプの駆動を制御する制御部とが筐体内に収容された燃料電池において、前記熱媒体流路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する検出器を備え、前記制御部は、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記検出器により取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、該温度分布に基づいて前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより熱媒体流路内の熱媒体を循環させて冷却する燃料電池の制御方法において、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記熱媒体の温度を取得し、取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、該温度分布に基づいて、前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るコンピュータプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより熱媒体を循環させて冷却する燃料電池を制御するコンピュータに、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記熱媒体の温度を取得し、取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、該温度分布に基づいて、前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する処理を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱媒体流路に沿う温度分布により熱媒体流路の凍結しやすい部分を見出し、これに基づいて、熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断するので、判断を正確に行うことができる。
従って、熱媒体の凍結が良好に抑制されるとともに、判断処理及び凍結防止処理等に要する電力の消費量を低減させることができる。
そして、記憶された前記温度分布を用いることにより、ポンプを駆動させたり、熱媒体流路の複数箇所で複数の検出器により熱媒体の温度を測定したりせずに、凍結の可能性を判断することができ、この観点からも省電力を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態に係る燃料電池を示すブロック図である。
【図２】ＣＰＵによる第１工程の実行処理の手順を示すフローチャートである。
【図３】ＣＰＵによる第１工程の実行処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】冷却路を示す模式図である。
【図５】温度分布を示すグラフである。
【図６】冷却路を構成する配管の断面図である。
【図７】時間とΔＴ1 との関係を示すグラフである。
【図８】ＣＰＵによる第２工程の実行処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】ＣＰＵによる第３工程の実行処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態に係る燃料電池３００を示すブロック図である。以下、下記冷却路４に水を通流する場合につき説明する。
燃料電池３００は、電池本体１００と水素供給部２００とを備える。電池本体１００は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等の電池本体である。
電池本体１００は、筐体１００ａ内に、スタック１、水素通流路２（水素供給路２ａ及び水素循環路２ｂ）、空気流路３、冷却路４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換器７、第２熱交換器８、制御部９、気液分離器２７、排水弁２８，２９、水素循環ポンプ２６、エアポンプ３０、冷却ポンプ４０、温度センサ４１、ヒータ４２、放熱ポンプ５０、ラジエータ５１、ファン５２、加熱ポンプ６０、排気弁６１，６２、温度センサ６３、報知部６４、排水路７５、及び排気路７６を備える。
【００１６】
水素供給部２００は、複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ２０と、開閉弁２１と、レギュレータ２２とを備える。ＭＨボンベ２０は水素吸蔵合金を充填してなる。開閉弁２１には全てのＭＨボンベ２０が接続されており、開閉弁２１はレギュレータ２２に接続されている。レギュレータ２２により水素の供給圧力が調整される。ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応である。
【００１７】
スタック１は、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
負極に、水素供給部２００から流入した水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが空気流路３から流入して接触することにより両電極で電気化学反応が生じ、起電力が発生する。この電気化学反応においては、負極側から固体高分子電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との反応により水が生じる。
【００１８】
水素供給路２ａの一端部はレギュレータ２２に、他端部は水素循環路２ｂのスタック１の負極寄りの部分に接続されている。水素供給路２ａには、水素供給部２００側から順に、開閉弁２３、開閉弁２４、逆止弁２５が設けられている。
【００１９】
水素循環路２ｂには水素循環ポンプ２６が設けられている。開閉弁２１、開閉弁２３、及び開閉弁２４を開いたとき、水素は開閉弁２１からレギュレータ２２、開閉弁２３、開閉弁２４、及び逆止弁２５を通って水素供給路２ａを通流し、水素循環ポンプ２６により、水素循環路２ｂを通流して、スタック１の負極側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流し、スタック１から排出された、水素、不純物（当初から水素に含有された不純物と反応により生じた不純物とを含む）及び水分は水素循環路２ｂを通流し、気液分離器２７へ送られる。
気液分離器２７において、水素及び不純物を含むガスと水とに分離される。
【００２０】
排水路７５は気液分離器２７の下側に接続されており、排水路７５には電磁弁である排水弁２８，２９が直列に設けられている。
排気路７６は、気液分離器２７の上側で水素循環路２ｂから分岐して延びるように設けられており、排気路７６には前記ガスを排出するための排気弁６１，６２が直列に設けられている。前記ガスは適宜のタイミングで、排気弁６１，６２に通電して開放することにより排気路７６を通流し、外部へ排出される。
【００２１】
気液分離器２７において、分離された前記ガスは排気弁６１，６２を閉じているとき、気液分離器２７から水素循環路２ｂを通流して水素循環ポンプ２６へ送られ、スタック１へ戻される。気液分離器２７で分離された水は貯留され、所定量に達した場合に、排水弁２８，２９に通電して開放することにより排水路７５を通流され、外部へ排出される。
【００２２】
空気流路３にはエアポンプ３０が設けられている。そして、空気流路３のスタック１への流入側部分には開閉弁３１が、スタック１からの流出側部分には開閉弁３２が設けられている。開閉弁３１、開閉弁３２を開いたとき、エアポンプ３０から送出された空気は空気流路３を通流して開閉弁３１を通り、スタック１の正極側部分へ導入され、該部分の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流した空気は、スタック１から排出され、開閉弁３２を通って外部へ排出される。
【００２３】
冷却路４には、冷却ポンプ４０、温度センサ４１、ヒータ４２、イオン交換樹脂４３、及び導電率計４４が設けられている。冷却ポンプ４０から送出され、冷却路４を通流する冷却水はイオン交換樹脂４３内を通流し、導電率計４４により導電率を測定された後、スタック１へ導入され、スタック１内の通流路を通流した後、排出されて、第１熱交換器７及び第２熱交換器８を通流し、冷却ポンプ４０へ戻るように構成されている。イオン交換樹脂４３は冷却路４を通流する冷却水に含まれるイオンを吸着する。
【００２４】
ラジエータ通流路５には、放熱ポンプ５０が設けられている。放熱ポンプ５０から送出された、例えば不凍液等の放熱液は、ラジエータ５１を通流し、さらに第１熱交換器７を通流した後、放熱ポンプ５０へ戻るように構成されている。
ラジエータ５１に近接してファン５２が設けられている。
【００２５】
ボンベ加熱路６には、加熱ポンプ６０が設けられている。加熱ポンプ６０から送出された加熱液は、水素供給部２００内の通流路を通流して各ＭＨボンベ２０を加熱した後、水素供給部２００から排出され、第２熱交換器８を通流して、加熱ポンプ６０へ戻るように構成されている。加熱により、ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金から水素が放出される。加熱液として不凍液が挙げられる。
【００２６】
冷却路４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換器７、及び第２熱交換器８は断熱材により覆われている。該断熱材により覆われた部分は、図１において太線で表している。該断熱材により、外部との熱移動を制限でき、熱量を制御しやすい。
【００２７】
制御部９は、制御部９の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）９０を備え、ＣＰＵ９０には、バスを介して、ＲＯＭ９１、ＲＡＭ９２、及びタイマ９３が接続されている。
【００２８】
ＲＯＭ９１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM（登録商標））、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、燃料電池３００の運転プログラム９１ａと、本実施の形態に係る凍結防止プログラム９１ｂを記憶している。
また、凍結防止プログラム９１ｂは、コンピュータ読み取り可能に記録された可搬式メディアであるＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）−ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray （登録商標）Disc）、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ等の記録媒体に記録されており、ＣＰＵ９１が記録媒体から、凍結防止プログラム９１ｂを読み出し、ＲＯＭ９１に記憶させてもよい。
さらに、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係る凍結防止プログラム９１ｂを取得し、ＲＯＭ９１に記憶させることにしてもよい。
【００２９】
ＲＡＭ９２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM)、SRAM(Static RAM）等のメモリであり、ＣＰＵ９０の演算処理を実行する際にＲＯＭ９１から読み出された運転プログラム９１ａ、凍結防止プログラム９１ｂ、及びＣＰＵ９０の演算処理によって生ずる各種データを一時記憶する。
制御部９は電池本体１００の各構成部、及び水素供給部２００の開閉弁２１に接続されており、制御部９は各構成部及び開閉弁２１の動作を制御する。なお、制御部９と各構成部との接続は、本実施の形態の説明において必要な部分のみ示している。
【００３０】
スタック１で生じる反応は発熱反応であり、スタック１は冷却路４内を通流する冷却水により冷却される。スタック１から排出された冷却水の熱は、第１熱交換器７において放熱液に伝導され、放熱液はラジエータ５１において熱を放出し、熱はファン５２により電池本体１００の外部へ放出される。ラジエータ５１において冷却された放熱液は第１熱交換器７へ送られる。
【００３１】
冷却路４において、第１熱交換器７を通流し、第２熱交換器８へ導入された冷却水の熱は、第２熱交換器８において加熱液へ伝導され、加熱液は水素供給部２００の各ＭＨボンベ２０を加熱し、水素吸蔵合金から水素を放出させる。
第２熱交換器８で冷却された冷却水は冷却ポンプ４０へ戻り、スタック１へ送られる。
なお、ボンベ加熱路６を有さずに、スタック１で生じた熱を有する空気を水素供給部２００へ送風して、ＭＨボンベ２０を加温することにしてもよい。また、ＭＨボンベ２０にヒータを設けておき、ＭＨボンベ２０を直接ヒータで加温することにしてもよい。
【００３２】
電池本体１には温度センサ６３が設けられており、筐体１００ａ内の温度を検出する。
本実施の形態においては、温度センサ４１，６３が検出した温度に基づき、ＣＰＵ９０が冷却路４内の冷却水が凍結する虞があるか否かを判断する。
また、報知部６４は液晶ディスプレイを備え、後述するように冷却路４の一部に温度異常が確認された場合に、これを表示してユーザに報知する。報知は、異常内容の表示に限定されるものではなく、音声によるものであってもよい。また、後述する冷却路４の区間に対応するＬＥＤランプを備え、異常が生じた区間に対応するＬＥＤランプを点灯させることにしてもよい。
【００３３】
以下、本発明の燃料電池３００の制御方法について説明する。
制御部９のＣＰＵ９０は発電の停止後、ＲＯＭ９１から凍結防止プログラム９１ｂを読み出して、凍結防止のための冷却水の温度制御処理を実行する。
冷却水の温度制御処理は、冷却路４の温度分布を特定し、後述する閾値Ａ及びＦを算出する第１工程、冷却水を加温し、閾値Ｊを算出する第２工程、及び冷却水が凍結する虞があるか否かを判断する第３工程を有する。
【００３４】
図２及び図３は、ＣＰＵ９０による第１工程の実行処理の手順を示すフローチャートである。
ＣＰＵ９０は、温度センサ４１から、初期の測定地点（温度センサ４１が設けられている地点）の温度Ｔ０を取得し、ＲＯＭ９１に記憶する（Ｓ１）。温度は摂氏及び華氏のいずれでもよい。
ＣＰＵ９０は、冷却ポンプ４０をオンする（Ｓ２）。
【００３５】
ＣＰＵ９０は、タイマ９３による計時を開始し、冷却水が冷却路４の測定地点を通った後、１周して戻るまでの間の、冷却水の温度を取得して、冷却水の温度分布を特定し、ＲＯＭ９１に記憶する（Ｓ３）。
【００３６】
図４は、冷却路４を示す模式図である。図４に示すように、冷却路４を時計回りに区間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに分けている。なお、区間の分け方は、この場合に限定されない。
図５は、前記温度分布を示すグラフである。冷却水が時計回りに冷却路４を１周通流する時間間隔で、区間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの順に、各地点の冷却水温度が取得されるので、冷却路４に沿った温度分布を特定することができる。
【００３７】
ＣＰＵ９０は、特定した温度分布に基づき、最低温度地点及び最高温度地点を把握する（Ｓ４）。図４及び図５においては、区間Ａの、Ｂとの境界寄りに最高温度地点があり、区間Ｃの、Ｄとの境界寄りに最低温度地点がある場合を例示している。
【００３８】
ＣＰＵ９０は、最低温度−Ｔ０、及び最高温度−Ｔ０を把握する（Ｓ５）。
ＣＰＵ９０は、次回、第１工程を実行するまでの間に、温度センサ４１から取得した温度と比較し、冷却ポンプ４０を強制的に駆動させるか否かを判断するための閾値Ａ、具体的には後述する第３工程のステップＳ３１で使用する閾値Ａを算出する（Ｓ６）。
【００３９】
閾値Ａは、以下の式により算出される。
閾値Ａ＝初期の測定地点の凝固点−（最低温度−Ｔ０）＋α
αはマージンの温度であり、正の数である。
【００４０】
ＣＰＵ９０は、上述の最低温度と、冷却路４の１周分の冷却水の平均温度との差の絶対値、即ち、｜最低温度−平均温度｜が閾値Ｂ以下であるか否かを判定する（Ｓ７）。ＣＰＵ９０は、｜最低温度−平均温度｜が閾値Ｂ以下でないと判定した場合（Ｓ７：ＮＯ）、異常を報知する（Ｓ８）。予め、ＲＯＭ９１には、報知の内容がテーブルに記憶されている。例えば最低温度地点が区間Ｃ内にある場合、報知部６４により「区間Ｃ内で低温異常」と表示する。これにより、冷却路４の配管を覆う断熱材が一部破損していること等が推察され、ユーザに原因の調査を促し、断熱材の破損が原因である場合には断熱材を修理することができる。報知は、前記内容の表示に限定されるものではなく、上述したように音声によるものであってもよく、また、異常の区間をＬＥＤランプ等によって表示するものであってもよい。
【００４１】
ＣＰＵ９０は、｜最低温度−平均温度｜が閾値Ｂ以下であると判定した場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、ＣＰＵ９０は、上述の最高温度と、前記平均温度との差の絶対値、即ち、｜最高温度−平均温度｜が閾値Ｃ以下であるか否かを判定する（Ｓ９）。ＣＰＵ９０は、｜最高温度−平均温度｜が閾値Ｃ以下でないと判定した場合（Ｓ９：ＮＯ）、異常を報知する（Ｓ１０）。上記と同様に、ＲＯＭ９１には報知の内容がテーブルに記憶されており、例えば最高温度地点が区間Ａ内にある場合、「区間Ａ内で高温異常」と、表示部により表示する。高温異常の原因として、付近の補機の発熱異常、又は断熱材の破損により局所的に熱くなっている部分があることが考えられる。報知により、ユーザに原因の調査を促し、断熱材の破損が原因である場合には断熱材を修理することができる。
【００４２】
ＣＰＵ９０は、前記平均温度が閾値Ｄ以下であるか否かを判定する（Ｓ１１）。ＣＰＵ９０は、平均温度が閾値Ｄ以下でないと判定した場合（Ｓ１１：ＮＯ）、凍結の虞がなく、次のステップＳ１２に示すように、冷却路４内の温度差が閾値Ｅ以下になるまで冷却ポンプ４０の駆動を継続する必要がないので、処理をステップＳ１３へ進め、冷却ポンプ４０をオフする。閾値Ｄとして、例えば凝固点より１０Ｋ以上高い温度が挙げられる。
【００４３】
ＣＰＵ９０は、平均温度が閾値Ｄ以下であると判定した場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、冷却水が冷却路４を１周する間に測定地点で取得する冷却水の温度差が閾値Ｅ以下であるか否かを判定する（Ｓ１２）。ＣＰＵ９０は、前記温度差が閾値Ｅ以下でないと判定した場合（Ｓ１２：ＮＯ）、上述の判定を繰り返す。冷却ポンプ４０のオン状態の継続により、冷却水の循環が継続され、冷却路４内の冷却水の温度が均一化される。
ＣＰＵ９０は、前記温度差が閾値Ｅ以下であると判定した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、冷却水を循環させる必要がないので、冷却ポンプ４０をオフする（Ｓ１３）。
【００４４】
ＣＰＵ９０は、熱移動量の閾値Ｆを算出する（Ｓ１４）。
【００４５】
以下、熱移動量の閾値Ｆの算出について詳述する。
図６は、冷却路４を構成する配管の断面図である。
配管は実際には、配管本体とこれを覆う断熱材の２層構造になっているが、ここでは、配管本体の厚みと断熱材とを合算した値を実験により求め、これを用いる。
図６に示すように、配管の内径をＡ（ｍ）、配管の外径をＢ（ｍ）とし、熱伝導率をＣ（Ｗ／Ｋ）とする。
そして、
配管内部の冷却水の温度：Ｔin
配管外部の温度：Ｔout 
配管内部温度と外部との温度差：ΔＴ1 ［Ｋ］
とする。
【００４６】
ΔＴ1 は、以下の式で表される。
ΔＴ1 ＝Ｔin−Ｔout
配管の内部から外部へ熱が放出される方向をプラスとする。
ここで、ある時刻ｔにおいて、温度センサ４１から取得した配管内部の冷却水の温度と、温度センサ６３から取得した温度との差がΔＴ1 （ｔ）に相当する。
ΔＴ1 ＝配管内部の冷却水の平均温度−外部温度
【００４７】
円筒１ｍあたりの伝熱量は以下の式（１）で表される。ここで、ΔＴ1 （ｔ）以外の値は固定値であるので、係数Ｘに置き換えている。Ｘは正の数である。
【００４８】
【数１】
2017182915.tif 000003
【００４９】
ある時刻ＴａからＴｂまでの熱移動量は、下記式（２）で表される。
【００５０】
【数２】
2017182915.tif 000004
【００５１】
図７は、時間とΔＴ1 との関係を示すグラフである。時刻ＴａからＴｂまでの積分値が前記熱移動量に相当する。
【００５２】
配管内の冷却水（１ｍ当たり）が凍るまでに必要な熱移動量は下記式（３）で表される。
ここで、冷却水の比熱をＣ1 （Ｊ／Ｋ）とし、初期の測定地点の冷却水の温度と凝固点温度との差をΔＴ2 とする（即ち、ΔＴ2 ＝初期の測定地点の冷却水の温度−凝固点温度）。
【００５３】
【数３】
2017182915.tif 000005
【００５４】
ここで、ΔＴ2 以外は固定値であるので、係数Ｙで置き換えている。Ｙは正の数である。
Ｘ及びＹは、水のみではなく、配管、断熱材、及び補機類も含めて考慮し、予め実験により設定しておく。
【００５５】
式（２）の熱移動量（内から外への移動量）が式（３）のＹ×ΔＴ2を超えた場合に、冷却路４の冷却水が凝固点温度以下になる。
従って、図７に示すように、各時点で温度差ΔＴ1 を取得し、積分してＸを乗じ、式（２）の熱移動量を求め、式（３）の数値と比較することにより、冷却水が凍結する虞があるか否かを判断することができる。
【００５６】
前記熱伝導率Ｃは、組立、並びに配管及び断熱材等の部材のばらつきにより、変化するため、ＣＰＵ９０の制御としては、冷却水が凝固点に到達する前に余裕を持って、第２工程を実行する必要がある。そこで、Ｙ×ΔＴ2のΔＴ2 に対し、補正を行って、閾値Ｆを設定する。
【００５７】
閾値Ｆは、以下の式（４）により求められる。
閾値Ｆ＝Ｙ｛ΔＴ2 ＋（最低温度−平均温度）−α｝…（４）
ΔＴ2は（Ｔ０−凝固点温度）である。
平均温度は、ステップＳ１３終了後の冷却水の平均温度である。
αはマージンであり、正の数である。
ＣＰＵ９０は、算出した閾値ＦをＲＯＭ９１に記憶する（Ｓ１４）。
【００５８】
ＣＰＵ９０は、冷却路４の冷却水の平均温度が閾値Ｇ以上であるか否かを判定する（Ｓ１５）。閾値Ｇは、冷却水の加温が必要であるか否かを判定するための閾値であり、前記平均温度が閾値Ｇ未満である場合に、第２工程へ処理を進め、冷却水を加温する。
ＣＰＵ９０は、平均温度が閾値Ｇ以上でないと判定した場合（Ｓ１５：ＮＯ）、第１工程の実行フラグを０にし（オフし）、第２工程の実行フラグを１にし（オンし）、処理を終了する（Ｓ１６）。
ＣＰＵ９０は、平均温度が閾値Ｇ以上であると判定した場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、第１工程の実行フラグを０にし（オフし）、第３工程の実行フラグを１にし（オンし）、第１工程の処理を終了する（Ｓ１７）。
【００５９】
以下、第２工程の処理について説明する。
図８は、ＣＰＵ９０による第２工程の実行処理の手順を示すフローチャートである。
ＣＰＵ９０は、冷却ポンプ４０をオンする（Ｓ２１）。
ＣＰＵ９０は、ヒータ４２をオンする（Ｓ２２）。
【００６０】
ＣＰＵ９０は、冷却路４の１周分の冷却水の平均温度を求め、該平均温度が閾値Ｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ２３）。ＣＰＵ９０は、平均温度が閾値Ｈ以上でないと判定した場合（Ｓ２３：ＮＯ）、上述の判定を繰り返す。これにより、平均温度が閾値Ｈ以上になるまで、冷却水の加温が続行される。
ＣＰＵ９０は、平均温度が閾値Ｈ以上であると判定した場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、冷却水を加温する必要がないので、ヒータ４２をオフする（Ｓ２４）。
【００６１】
ＣＰＵ９０は、冷却水が冷却路４を１周する間に測定地点で取得する冷却水の温度差が閾値Ｅ以下であるか否かを判定する（Ｓ２５）。ここで、閾値Ｅは上述のステップＳ１２の閾値Ｅと同一であってもよく、異なっていてもよい。ＣＰＵ９０は、前記温度差が閾値Ｅ以下でないと判定した場合（Ｓ２５：ＮＯ）、上述の判定を繰り返す。これにより、冷却水の温度が均一化される。
【００６２】
ＣＰＵ９０は、前記温度差が閾値Ｅ以下であると判定した場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、冷却水を循環させる必要がないので、冷却ポンプ４０をオフする（Ｓ２６）。
【００６３】
ＣＰＵ９０は、熱移動量の閾値Ｊを算出する（Ｓ２７）。ＣＰＵ９０は、下記式（４）'により、閾値Ｊを算出する。
閾値Ｊ＝Ｙ（ΔＴ2 ＋（最低温度−平均温度）−α）…（４）’
ΔＴ2は（Ｔ０−凝固点温度）である。
平均温度は、ステップＳ２６終了後の冷却水の平均温度である。
αは上記と同一の係数である。
ＣＰＵ９０は、閾値ＪをＲＯＭ９１に記憶する。
【００６４】
ＣＰＵ９０は、第２工程の実行フラグを０にし、第３工程の実行フラグを１にし、第２工程の処理を終了する（Ｓ２８）。
【００６５】
以下、第３工程の処理について説明する。
図９は、ＣＰＵ９０による第３工程の実行処理の手順を示すフローチャートである。
ＣＰＵ９０は、温度センサ４１により取得した冷却水の温度が第１工程により算出した閾値Ａ以下であるか否かを判定する（Ｓ３１）。
ＣＰＵ９０は、冷却水の温度が第１工程により算出した閾値Ａ以下でないと判定した場合（Ｓ３１：ＮＯ）、熱移動量が閾値Ｆ又はＪ以上であるか否かを判定する（Ｓ３２）。ここで、第３工程を実行する前に第１工程を実行していた場合はＲＯＭ９１に記憶された閾値Ｆを読み出し、第２工程を実行していた場合はＲＯＭ９１に記憶された閾値Ｊを読み出す。
ＣＰＵ９０は、タイマ９３による計時を開始し、図７に示したように各時点でΔＴ1 を取得し、ＴａからＴｂまでの積分し、積分した値にＸを乗じて、閾値Ｆ又はＪと比較する。
【００６６】
ＣＰＵ９０は、熱移動量が閾値Ｆ又はＪ以上であると判断した場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、処理をステップＳ３４へ進める。
【００６７】
ＣＰＵ９０は、熱移動量が閾値Ｆ又はＪ以上でないと判断した場合（Ｓ３２：ＮＯ）、凝固の監視時間が経過したか否かを判定する（Ｓ３３）。
監視時間は、以下の式により設定される。
監視時間＝（前回測定した平均温度−凝固点温度）×係数
係数として、例えば３０分が挙げられる。
（前回測定した平均温度−凝固点温度）が例えば３℃である場合、１時間半以上経過した場合、第３工程を終了することになる。
ＣＰＵ９０は、凝固の監視時間が経過していないと判定した場合（Ｓ３２：ＮＯ）、処理をステップＳ３１へ戻す。
ＣＰＵ９０は、監視時間が経過したと判定した場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、処理をステップＳ３４へ進める。
【００６８】
ＣＰＵ９０は、ステップＳ３４において、第３工程の実行フラグを０にし、第１工程の実行フラグを１にし、第３工程の処理を終了する（Ｓ３４）。
【００６９】
以上のように、本実施の形態においては、冷却路４に沿う温度分布により、冷却路４の凍結する可能性が高い、最低温度地点を見出し、該地点における最低温度に基づいて、閾値Ａ、Ｆ、Ｊを算出し、冷却水が凍結する虞があるか否かを判断するので、判断を正確に行うことができ、冷却水の凍結を良好に抑制することができる。そして、必要な場合のみ、冷却ポンプ４０及びヒータ４２を駆動させるので、凍結防止の処理のために要する燃料電池３００全体の電力の消費量を低減させることができる。
また、冷却水を冷却路４内で１周させて温度分布を特定するので、冷却路４に設ける温度センサ４１の数は一つで済み、ＲＯＭ９１に記憶された前記温度分布を用いることにより、次回、第１工程を実行するまでの間に、冷却ポンプ４０を駆動させたり、冷却路４の複数箇所で複数の温度センサにより冷却水の温度を測定したりせずに、凍結の可能性を判断することができ、この観点からも省エネルギーを図ることができる。そして、現時点の温度と、前回の温度分布とを考慮することで、測定誤差による誤判断の可能性も低くなる。
【００７０】
本実施の形態においては、適宜の間隔で、上記Ｘを補正するのが好ましい。
以下、Ｘの補正について説明する。
ここで、
Ｔａ時点の冷却水の温度：ＴＡ
Ｔｂ時点の冷却水の温度：ＴＢ
とした場合、配管内から配管外への熱の移動量と同等の熱量により、配管内の温度が変化するため、下記式（５）が得られる。
【００７１】
【数４】
2017182915.tif 000006
【００７２】
上記式（５）が成り立つのは、ＸとＹとが夫々正確に設定されており、かつ、温度が正確に測定されている場合のみである。
測定温度は相対的に同じ値だけオフセットしている場合、上記計算には影響を及ぼさないため、ここでは、正しいと仮定する。
また、Ｙも配管の構成が同じである場合、個体差による大きなばらつきはないと考え、正しいと仮定する。
Ｘについては、組立不良、断熱材の劣化及び破損等により変化する可能性があるため、上記式（５）の左辺、及び右辺の値を夫々算出し、下記の式（６）により補正係数を算出する。
【００７３】
【数５】
2017182915.tif 000007
【００７４】
次回のＸは、上記Ｘの補正係数を掛けて、下記式のように補正する。
次回のＸ＝現在のＸ×（Ｘの補正係数）
このＸを第３工程のステップＳ３２において使用し、凍結の可能性を判断する。
燃料電池３００は、Ｘの初期値を保有しているが、運転中に上述したようにＸの値をばらつきに応じて補正するので、精度良く、配管の内から外へ移動する熱量を推定することができる。
【００７５】
以上のように、本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を熱媒体の循環により冷却する熱媒体流路と、前記熱媒体を循環させるポンプと、該ポンプの駆動を制御する制御部とが筐体内に収容された燃料電池において、前記熱媒体流路に設けられ、前記熱媒体の温度を検出する検出器を備え、前記制御部は、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記検出器により取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、該温度分布に基づいて前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断することを特徴とする。
【００７６】
本発明においては、熱媒体流路に沿う温度分布により、即ち熱媒体流路の各部の温度を確認して熱媒体流路の凍結しやすい部分を見出し、これに基づいて、熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断するので、判断を正確に行うことができる。
従って、熱媒体の凍結が良好に抑制され、凍結防止の処理のために要する電力の消費量を低減させることができる。
そして、記憶された前記温度分布を用いることにより、ポンプを駆動させたり、熱媒体流路の複数箇所で複数の検出器により熱媒体の温度を測定したりせずに、凍結の可能性を判断することができ、この観点からも省エネルギーを図ることができる。
【００７７】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記温度分布の特定を開始したときに前記検出器により取得した前記熱媒体の温度と、前記温度分布における最低温度との差に基づいて、前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断することを特徴とする。
【００７８】
本発明においては、温度を取得したときに、前回の温度分布における測定開始時の温度と最も低い温度との差を適用して、熱媒体流路の最低温度部分における、現時点の最低温度を推定し、凍結の可能性を判断することができる。
【００７９】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記ポンプが停止している場合に、前回特定した前記温度分布と、現時点にて前記検出器により取得した前記熱媒体の温度とに基づいて、前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断することを特徴とする。
【００８０】
本発明においては、ポンプが駆動していない（熱媒体が循環していない）状態で、現時点で検出器から取得した熱媒体の温度に基づき、前回の温度分布を参照して凍結の可能性を判断する。従って、省エネルギーが図られるとともに、現時点の温度と、前回の温度分布とを考慮することで、測定誤差による誤判断の可能性も低くなる。
【００８１】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記筐体内又は前記筐体外の温度を測定する温度検出器を備え、前記制御部は、前記温度と、前記熱媒体の平均温度との差に基づいて熱移動量を算出し、該熱移動量と、前記温度分布に基づく第１閾値とを比較して、前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断することを特徴とする。
【００８２】
本発明においては、熱媒体流路の内から外への熱移動量が前記閾値を超えた場合に、熱媒体の凍結の可能性があると判断するので、凍結が良好に抑制される。
【００８３】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、所定時間に実測した前記熱媒体の温度変化に基づいて、前記熱移動量を算出するためのパラメータを補正することを特徴とする。
【００８４】
本発明においては、前記熱移動量の算出においてパラメータを固定せず、燃料電池本体間及び測定装置間のばらつきを考慮してパラメータを補正するので、熱媒体の凍結の可能性をより正確に判断することができる。
【００８５】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記熱媒体が凍結する虞があると判断した場合、前記熱媒体の平均温度が第２閾値以下であるとき、前記熱媒体流路内の前記熱媒体の温度差が第３閾値以下になるまで、前記ポンプを駆動させることを特徴とする。
【００８６】
本発明においては、循環（撹拌）により熱媒体流路内の温度差を低減させるので、凍結までの時間を遅らせることができ、ヒータによる加温時間を低減させることができる。そして、熱媒体の平均温度が第１閾値を超え、凍結まで余裕がある場合においては、ポンプの駆動を停止し、消費電力を抑えることができる。
【００８７】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記熱媒体を加温するヒータを備え、前記制御部は、前記熱媒体が凍結する虞があると判断した場合、前記ヒータにより前記熱媒体を加温しながら、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させることを特徴とする。
【００８８】
本発明においては、加熱することにより熱媒体の凍結を良好に抑制することができる。
【００８９】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記熱媒体流路内の前記熱媒体の平均温度が第４閾値以上になった場合に、前記ヒータによる加温を停止し、前記熱媒体流路内の前記熱媒体の温度差が第５閾値以下になった場合に前記ポンプの駆動を停止することを特徴とする。
【００９０】
本発明においては、熱媒体流路内の前記熱媒体の平均温度が第４閾値以上にした後、温度差をなくした状態でポンプを停止するので、凍結がより良好に抑制される。
【００９１】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部により、前記熱媒体流路内の前記熱媒体の温度差が第６閾値以上であると判断した場合に報知する手段を備えることを特徴とする。
【００９２】
本発明においては、熱媒体流路の付近に存在する補機の異常、又は熱媒体流路を保護する部材の破損等の異常等を、凍結監視とともに検知することができる。
【００９３】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記検出器の数は１であることを特徴とする。
【００９４】
本発明においては、熱媒体を循環させて熱媒体流路に沿う熱媒体の温度を把握するので、検出器の数を１つに削減することができ、コストダウンが図られる。
【００９５】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより熱媒体流路内の熱媒体を循環させて冷却する燃料電池の制御方法において、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記熱媒体の温度を取得し、取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、該温度分布に基づいて、前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断することを特徴とする。
【００９６】
本発明においては、熱媒体流路に沿う温度分布により熱媒体流路の凍結しやすい部分を見出し、これに基づいて、熱媒体が凍結する虞があるか否かを正確に判断することができる。従って、凍結防止の処理のために要する電力の消費量を低減させることができる。
【００９７】
本発明に係るコンピュータプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を、ポンプにより熱媒体を循環させて冷却する燃料電池を制御するコンピュータに、前記ポンプにより前記熱媒体を循環させて、前記熱媒体の温度を取得し、取得した前記熱媒体の温度に基づいて、前記熱媒体流路に沿う前記熱媒体の温度分布を特定し、該温度分布に基づいて、前記熱媒体流路内の一部で前記熱媒体が凍結する虞があるか否かを判断する処理を実行させることを特徴とする。
【００９８】
本発明においては、熱媒体流路に沿う温度分布により熱媒体流路の凍結しやすい部分を見出し、これに基づいて、熱媒体が凍結する虞があるか否かを正確に判断することができる。従って、凍結防止の処理のために要する電力の消費量を低減させることができる。
【００９９】
本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、前記実施の形態においては、スタック１を冷却する熱媒体が水である場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、他の熱媒体を用い、該熱媒体の比熱等を用いて熱媒体の凍結の可能性を判断することができる。
また、冷却路４の外部に設ける温度センサ６３を筐体１００ａ内に設けた場合につき説明しているが、これに限定されるものではなく、筐体１００ａの外部、例えば筐体１００ａの壁面に設けてもよい。さらには、筐体１００ａの内外に温度センサを設け、これらの温度センサにより取得された温度に基づいて熱移動量を算出することにしてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１  スタック
２  水素通流路
３  空気流路
４  冷却路
４０  冷却ポンプ
４１、６３  温度センサ
５  ラジエータ通流路
６  ボンベ加熱路
７  第１熱交換器
８  第２熱交換器
９  制御部
２０  ＭＨボンベ
２６  水素循環ポンプ
２８、２９  排水弁
３０  エアポンプ
６１、６２  排気弁
６４  報知部
６８、６９  排気排水弁
７５  排水路
７６  排気路
９０  ＣＰＵ
１００  電池本体
２００  水素供給部
３００  燃料電池
【図１】
2017182915.tif 000008
【図２】
2017182915.tif 000009
【図３】
2017182915.tif 000010
【図４】
2017182915.tif 000011
【図５】
2017182915.tif 000012
【図６】
2017182915.tif 000013
【図７】
2017182915.tif 000014
【図８】
2017182915.tif 000015
【図９】
2017182915.tif 000016