(57)【要約】【課題】燃料電池の発電を停止した後に、ラジエタで冷却された燃料電池温度と温度差がある冷却水が燃料電池に流入することを防止する。【解決手段】コントローラ３０の発電／休止モード切替判断部３１は、アクセル開度と車速とバッテリ情報に基づいて、通常発電を行う通常発電モードと発電を休止する発電休止モードとの２つの運転モードの切替判断を行う。発電休止モードでは、コンプレッサ制御部３３はコンプレッサを停止させ、水素調圧弁制御部３５は水素調圧弁を閉止し、パワーマネージャ制御部３４は燃料電池からの電力取り出しを停止し、冷却系制御部３２は、燃料電池出口冷却水温度とラジエタ出口冷却水温度との温度差が小さければ、冷却水ポンプの稼動を抑制する。【選択図】  図２
2009199940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、
燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
前記燃料電池から冷媒が受熱した熱を放出して冷媒温度を下げる熱交換手段と、
前記燃料電池から取り出した電力を前記移動体に供給する電力取出手段と、
前記移動体に電力供給可能な蓄電手段と、
前記移動体の速度、前記移動体への加速要求量、および前記蓄電手段の状態に基づいて、前記燃料電池が発電した電力を前記移動体へ供給する通常発電モードと、前記燃料電池の発電を休止して前記蓄電手段から前記移動体へ電力供給する発電休止モードとの２つの運転モード間を切り替えるモード切替手段と、
前記モード切替手段が前記通常発電モードから前記発電休止モードへ運転モードを切り替えた後に、検出または予測された前記熱交換手段内の冷媒温度と燃料電池温度との差が小さいほど、前記冷媒供給手段の稼動状態を抑制するように制御する冷却制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換手段周辺の温度を検出する雰囲気温度検出手段と、
該雰囲気温度検出手段が検出した雰囲気温度に基づいて前記冷媒温度を予測する冷媒温度予測手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷媒温度予測手段は、前記モード切替手段が前記通常発電モードから前記発電休止モードへ運転モードを切り替えた後に、前記雰囲気温度検出値に基づいて前記熱交換手段内の冷媒温度が所定時間以内に所定温度まで低下するか否かを予測し、所定時間以内に所定温度まで低下すると予測される場合には、前記冷却制御手段は、前記冷媒供給手段の稼動状態を抑制しないことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却制御手段は、前記モード切替手段が前記通常発電モードから前記発電休止モードへ運転モードを切り替えた後に、前記冷媒供給手段の稼動状態を抑制しないと判断した場合、
前記熱交換手段の熱交換量を増加させ、燃料電池温度を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷媒供給手段の稼動状態を抑制した後、前記燃料電池温度と、熱交換手段内の冷媒温度の検出値または予測値と、の差が所定値を超えた場合、運転モードに関わらず、冷媒供給量が増加するように、冷媒供給手段の稼動状態を補正を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低負荷時に燃料電池の発電を停止し蓄電装置から電力供給する移動体用の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、次回システム始動時における燃料電池の温度が所定温度以下であると予測される場合には、システム停止時に燃料電池への冷却水の供給を停止しつつ燃料電池に発電を行わせていた。そして、燃料電池或いは触媒層の温度に応じて、冷却水ポンプ及び冷却ファンを間欠運転させていた（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−１６５０８０号公報（第６頁、図２。）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池システムは、燃料電池の発電を停止している際は、燃料電池或いは触媒層の温度に基づき、冷却水ポンプ及び冷却ファンを起動させていたため、熱交換器内の冷媒温度が低下することによって燃料電池側とで冷媒流路内での温度ムラが発生してしまう可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題点を解決するために、本発明は、移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、移動体の速度、移動体への加速要求量、および蓄電手段の状態に基づいて、燃料電池が発電した電力を移動体へ供給する通常発電モードと、燃料電池の発電を休止して蓄電手段から移動体へ電力供給する発電休止モードとの２つの運転モード間を切り替えるモード切替手段を備える。さらに、モード切替手段が通常発電モードから発電休止モードへ運転モードを切り替えた後に、検出または予測された熱交換手段内の冷媒温度と燃料電池温度との差が小さいほど、燃料電池へ冷媒を供給する冷媒供給手段の稼動状態を抑制するように制御する冷却制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、運転モードが通常発電モードから発電休止モードへと切り替わる際に、燃料電池温度と、熱交換器内の冷媒温度との差が小さいほど、燃料電池冷却手段の稼動を抑制させるため、熱交換器内の冷媒温度が低下し、燃料電池側の冷媒温度が高いという冷媒流路内での温度ムラを抑制することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの全体構成を説明するシステム構成図である。例として、自動車に搭載された燃料電池システムを示す。
【０００８】
燃料電池１は、固体高分子型の燃料電池であり、アノード１ａとカソード１ｂが電解質膜１ｃを挟んで対設されている。アノード１ａに水素ガスが、カソード１ｂに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【０００９】
アノード（水素極）：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ-                   …（化１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ       …（化２）
アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２（燃料ガス供給手段）から水素タンク元弁３、減圧弁４、水素調圧弁５を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧される。水素調圧弁５は、燃料電池入口の水素圧力が所望の水素圧力となるようにコントローラ３０から制御される。燃料電池入口の水素圧力は、圧力センサ１３ａにより検出されコントローラ３０へ送信される。水素循環ポンプ６及び水素循環路７は、アノード１ａで消費されなかった水素を再循環させるために設置される。カソード１ｂには、酸化剤として空気を供給するために、化学反応しない窒素が電解質膜を透過して水素循環経路内に蓄積する。蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素分圧が低下するとともに水素循環ポンプ６の循環性能が低下するので安定した発電ができなくなる。このため、コントローラ３０は、窒素の蓄積量を推定し、蓄積量が閾値を超えるとパージ弁８を開いて窒素を外部に排出する。
【００１０】
希釈装置９は、パージ弁８より窒素を排出する際に同時に排出される水素を、車外へ放出する前に、空気と混ぜ合わせて燃焼限界未満の濃度へ希釈している。
【００１１】
カソード１ｂへ供給する空気は、コンプレッサ１０（酸化剤ガス供給手段）により加圧されて供給される。この空気の質量流量は、コンプレッサ入口に設けた流量センサ１１により検出される。カソード出口側には、カソード背圧を調整する空気調圧弁１４が設けられている。カソード１ｂの空気圧力は、圧力センサ１３ｂにより検出される。コントローラ３０は、圧力センサ１３ｂの検出値に基づいて空気調圧弁１４の開度を制御することにより、カソード圧力を制御している。またコンプレッサ１０からコントローラ３０へは、コンプレッサ１０が消費する電力を送信する。
【００１２】
また燃料電池１は、運転温度を制御するための冷却水流路１ｄ、１ｅを備えている。冷却水流路１ｄ，１ｅとラジエタ１７（熱交換手段）とは冷却水循環路１６で接続され、冷却水ポンプ１５（冷媒供給手段）が冷却水を循環させる。ラジエタ１７は一般的に車両前方に配置され、自動車が走行する際の走行風を利用して冷却水を冷却している。
【００１３】
コントローラ３０は、燃料電池入口温度センサ２０ａ、燃料電池出口温度センサ２０ｂ（燃料電池温度検出手段）の検出値を参照して、冷却水ポンプ１５とラジエタファン１８を駆動することによって、冷却水温度を調整する。
【００１４】
パワーマネージャ２１（電力取出手段）は、燃料電池１から電力を取り出して、自動車を駆動させる駆動モータ４０へ電力を供給する。パワーマネージャ２１には、電力取り出し制御のために、燃料電池１から取り出す電流を計測する機能を備えている。電圧センサ２１は、燃料電池１の単電池（セル）毎、もしくは複数直列接続されたセル群毎の燃料電池電圧を測定する。コントローラ３０は、起動、発電、停止する際にシステム内の各アクチュエータをセンサ信号を用いてコントロールする。
【００１５】
バッテリ２２（蓄電手段）は、次の（１）から（４）の場合に充放電される。（１）燃料電池システムで発電を行うために必要な補機類を駆動させるために必要な電力を供給する。（２）燃料電池システムに対し要求される電力に対し、燃料電池の発電電力が不足する場合に、不足分の電力を供給する。（３）燃料電池の発電電力が、要求される電力に対し、余剰になったときに電力を蓄電する。（４）駆動モータ４０の回生電力を充電する。
【００１６】
駆動モータ４０からコントローラ３０へは、駆動モータ４０で消費される電力を送信している。バッテリコントローラ２３は、バッテリ２２の電圧、電流、及び温度を監視している。また、バッテリコントローラ２３は、バッテリ２２に蓄積された電力、ならびにバッテリ２２が供給可能な電力をコントローラ３０へ送信している。
【００１７】
車速センサ２５は、自動車の車輪速や、駆動モータ４０の回転数などから、車速を検知するセンサである。アクセル開度センサ２７は、自動車の運転者のアクセルペダルの踏み量を検出するセンサである。
【００１８】
外気温センサ２５（雰囲気温度検出手段）は、ラジエタ１７の周囲温度を計測するセンサである。２０ｃはラジエタ１７内の冷却水温度を測定する冷却水温度センサである。
【００１９】
図２は、本発明を実施する場合のコントローラ３０（モード切替手段、冷却制御手段、冷媒温度予測手段）の構成を例示したものである。コントローラ３０は、通常発電を行う通常発電モードと発電を休止する発電休止モードとの２つの運転モードの切替判断を行う発電／休止モード切替判断部３１と、冷却系制御部３２と、コンプレッサ制御部３３と、パワーマネージャ制御部３４と、水素調圧弁制御部３５とを備えている。冷却系制御部３２と、コンプレッサ制御部３３と、パワーマネージャ制御部３４と、水素調圧弁制御部３５とは、それぞれ発電／休止モード切替判断部３１が指示する運転モードが通常発電モードであるか発電休止モードであるかに従って、それぞれの制御対象を制御する。
【００２０】
発電／休止モード切替判断部３１は、車速センサ２６からの車速信号、アクセル開度センサ２７からのアクセル開度信号、バッテリコントローラ２３からのバッテリ情報に基づいて、通常発電モードにするか発電休止モードにするかを判断する。そして、通常発電モード或いは発電休止モードを運転モードとして出力する。
【００２１】
この運転モードの判断は、例えば、車速がある所定速度以下（停止を含む）、且つアクセル開度が所定開度以下（アクセルオフを含む）、且つバッテリ情報が所定電力以上でバッテリ２２が放電可能な状態を示している場合に、発電休止モードと判断し、それ以外の場合に、燃料電池システムの暖機が完了していれば、通常発電モードと判断する。
【００２２】
これらの所定速度、所定開度、所定電力は、車両の重量、燃料電池を搭載した車両の性格、バッテリの最大容量、バッテリの最大放電能力等に基づいて、適宜設定されるものである。
【００２３】
通常発電モードは、車速及びアクセル開度に応じた駆動モータの所要電力や燃料電池システム内の所要電力を燃料電池１から供給するモードである。但し過渡的に燃料電池１の出力が不足する場合には、バッテリ２２から不足電力を補う場合がある。また、通常発電モードで燃料電池１の発電出力に余剰がある場合、この余剰電力でバッテリ２２に充電することもある。
【００２４】
通常発電モードでは、コンプレッサ１０を稼動させて燃料電池１のカソード１ｂへ空気を供給する。また通常発電モードでは、水素調圧弁５から燃料電池１のアノード１ａへ水素を供給するとともに、水素循環ポンプ６を駆動する。さらに、通常発電モードでは、冷却水の温度センサ２０ａ、２０ｂ、２０ｃに基づいて冷却水ポンプ１５及びラジエタファン１８を駆動して燃料電池１の温度を運転に適した温度に維持する。
【００２５】
発電休止モードは、燃料電池１の発電を休止し、燃料電池システム内の所要電力をバッテリ２２から供給するモードである。発電休止モードでは、コンプレッサ１０及び水素循環ポンプ６の駆動を停止する。また発電休止モードでは、本発明に特徴的な冷却水温度を制御するために、後述する冷却水ポンプ１５の駆動を必要に応じて行う。
【００２６】
コンプレッサ制御部３３は、運転モードが通常発電モードである場合にコンプレッサ１０を稼動させ、運転モードが発電休止モードである場合にコンプレッサ１０を停止させる。
【００２７】
パワーマネージャ制御部３４は、運転モードが通常発電モードである場合に、パワーマネージャ２１による燃料電池１からの電流取り出しを実行させ、運転モードが発電休止モードである場合に、パワーマネージャ２１による燃料電池１からの電流取り出しを停止させる。
【００２８】
水素調圧弁制御部３５は、運転モードが通常発電モードである場合に、水素の供給が達成されるように水素調圧弁５の開度を制御し、運転モードが発電休止モードである場合に、水素の供給が遮断されるように水素調圧弁５の開度を制御する。  
冷却系制御部３２は、発電／休止モード切替判断部３１で判断された運転モードと、ラジエータファン回転数と、外気温と、車速と、冷却水出口温度から、目標ラジエータファン回転数や、目標冷却水ポンプ回転数（必要な供給冷却水流量）を制御する。
【００２９】
図３は、実施例１におけるコントローラ３０の制御内容を説明するフローチャートである。このフローチャートは、通常発電モードにおいて、一定時間毎に呼び出されて実行される。先ず、発電／休止モード切替判断部３１は、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、アクセル開度センサ２６の検出値を読み込み、アクセル開度（アクセルペダル操作量とも言う）が所定開度以下であるか否かを判断する。所定開度以下であれば、Ｓ１２へ進む。所定開度以下でなければ、Ｓ１６の通常発電モードを引き続き選択する。次いで、Ｓ１２において、車速センサ２６の検出値を読み込み、車速が所定速度以下（例えば２０ｋｍ／ｈ）か否かを判断する。所定速度以下であれば、Ｓ１４へ進む。所定速度以下でなければ、Ｓ１６の通常発電モードを引き続き選択する。
【００３０】
次いで、Ｓ１４において、バッテリコントローラ２３からバッテリ残量を読み込み、バッテリ残量が所定容量（例えば１分以上、発電停止を継続するために必要な蓄電量）以上あるか否かを判断する。バッテリ残量が所定容量以上ない場合、Ｓ１６の通常発電モードを引き続き選択する。バッテリ残量が所定容量以上あれば、Ｓ１８へ進む。Ｓ１８では、発電停止が可能と判断して、発電／休止モード切替判断部３１から、冷却系制御部３２，コンプレッサ制御部３３，パワーマネージャ制御部３４及び水素調圧弁制御部３５へ運転モードとして発電停止モードを出力する。
【００３１】
次いで、Ｓ２０では、発電停止モードが選択されたのを受けて、コンプレッサ制御部３３にて、コンプレッサの稼動を停止して燃料電池への空気供給を停止するとともに、水素調圧弁制御部３５にて、水素調圧弁開度を閉じることによって、燃料電池への水素供給を停止する。
【００３２】
次いで、Ｓ２２では、Ｓ１８で発電停止モードが選択されたことと、Ｓ２０で燃料電池１への反応ガスの供給が停止になったことを受けて、パワーマネージャ制御部３４にて、燃料電池１からの電流取り出しを停止する。
【００３３】
次いで、Ｓ２４へ進み、Ｓ２２燃料電池１からの電流取り出しが停止して、燃料電池１の発熱が停止したのを受けて、冷却系制御部３２にて冷却水ポンプ１５を停止、或いは冷却水ポンプの回転数を低下させて、冷却水流量を通常運転時より低下させる。次いで、Ｓ２６において、冷却系制御部３２は、温度センサ２０ｂによる燃料電池出口冷却水温度（もしくは温度センサ２０ａによる燃料電池入口冷却水温度）と、温度センサ２０ｃによるラジエタ内冷却水温度との差を計算し、差が所定値未満か否かを判定する。差が所定値以上の場合には、Ｓ２８へ進み、運転モードに関係なく、冷却水ポンプ１５を稼動させる。Ｓ２６の判定で温度差が所定値未満の場合には、引き続き冷却水ポンプの停止状態を継続しながらＳ２６の温度差計算及び差の判断を繰り返す。
【００３４】
図４は、Ｓ２６及びＳ２８の制御内容を制御ブロック図で示したものである。燃料電池出口冷却水温度とラジエタ内冷却水温度との差である温度差を求め、この温度差に基づいて、温度差が小さいほど冷却水ポンプの稼動状態（回転数）を抑制するように制御する。具体的には、例えば、制御マップを検索して、燃料電池出口冷却水温度とラジエタ内冷却水温度との温度差から目標冷却水ポンプ回転数を算出する。制御マップは、図４（ａ）に示したように、温度差が所定温度差Δｔａ以上であれば、目標冷却水ポンプ回転数を通常発電時の回転数ｒａとし、温度差が所定温度差Δｔａ未満であれば、目標冷却水ポンプ回転数を０として冷却水ポンプを停止するものでもよい。
【００３５】
しかしながら、冷却水ポンプを単純なオンオフ制御よりもきめ細かく段階制御することも可能である。例えば、図４（ｂ）に示すように、温度差がΔｔ１未満であれば冷却水ポンプを停止し、温度差がΔｔ１以上かつΔｔ２未満であれば、冷却水ポンプの目標回転数をｒ１とし、温度差がΔｔ２以上かつΔｔ３未満であれば、冷却水ポンプの目標回転数をｒ２とし、温度差がΔｔ３以上であれば、冷却水ポンプの目標回転数をｒ３としてもよい。ここで、Δｔ１＜Δｔ２＜Δｔ３、ｒ１＜ｒ２＜ｒ３である。
【００３６】
さらに、図４（ｃ）に示すように、温度差に対して連続的に目標回転数を変えることも可能である。この例では、温度差が温度差Δｔａ未満であれば、目標冷却水ポンプ回転数を０として冷却水ポンプを停止し、温度差が温度差Δｔａ以上かつΔｔｂ未満（Δｔａ＜Δｔｂ）の範囲内のΔｔであれば、目標冷却水ポンプ回転数ｒを以下の式（１）とし、温度差が温度差Δｔｂ以上であれば、目標冷却水ポンプ回転数を一定のｒａとするようにしてもよい。
【００３７】
ｒ＝ｒｂ＋（ｒａ−ｒｂ）（Δｔｂ−Δｔ）／（Δｔｂ−Δｔａ）    …（１）
以上説明したように本実施例によれば、モード切替手段が、移動体の速度、移動体への加速要求量、および蓄電手段の状態に基づいて、燃料電池が発電した電力を移動体へ供給する通常発電モードと、燃料電池の発電を休止して蓄電手段から移動体へ電力供給する発電休止モードとの２つの運転モード間を切り替える。
【００３８】
そして、冷却制御手段は、モード切替手段が通常発電モードから発電休止モードへ運転モードを切り替えた際に、検出または予測された熱交換手段内の冷媒温度と燃料電池温度との差が小さいほど、冷媒供給手段の稼動状態を抑制するように制御する。
【００３９】
これにより、発電休止モードにおいてもラジエタ内の冷却水温度と燃料電池内の冷却水温度との温度差を小さく維持することができる。従って、発電休止モードから通常発電モードへ復帰した際に、燃料電池温度より大幅に温度が低いラジエタ内の冷却水が燃料電池内へ流入することを防止し、燃料電池内の冷却水流路内に温度差が発生することを防止できるという効果がある。
【００４０】
この結果、燃料電池内の熱衝撃による劣化を回避し、更には、温度差による燃料ガス漏れを防止し、燃料電池の燃費効率の低下を防止できるという効果がある。
【実施例２】
【００４１】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２は、冷却水温度センサ２０ｃを用いない実施例である。本実施例では、ラジエタ内の冷却水温度を検出する冷却水温度センサ２０ｃに代えて、ラジエタ１７の雰囲気温度を検出する外気温センサ２５の検出値からラジエタ１７内部の冷却水温度を予測する方法を用いる。燃料電池システムの全体構成は、冷却水温度センサ２０ｃが不要である以外は、図１に示した実施例１と同様である。またコントローラ３０の構成は、ラジエタ内冷却水温度に代えて、ラジエタ内冷却水温度予測値を用いること以外は、図２に示した実施例１の構成例と同様である。
【００４２】
図５は、実施例２におけるコントローラ３０の制御内容を説明するフローチャートである。図５において、Ｓ２３が追加され、破線で囲んだＳ２６は実施例２単独では用いないこと以外は、図３に示した実施例１のフローチャートと同じである。
【００４３】
Ｓ２３において、Ｓ２３において、所定時間後のラジエタ内冷却水温度の予測値を演算し、発電を停止した直後の燃料電池出口冷却水温度（もしくは燃料電池入口冷却水温度）とその予測値との温度差が所定温度差未満か否かを判断する。
【００４４】
ここで、所定温度差とは、図６に示した燃料電池のシール面からのガス漏れ率が上昇を始める直前の入出口温度差Δｔｘである。温度差の演算結果が所定温度差Δｔｘ未満であれば、Ｓ２４へ進み冷却水ポンプを停止し、温度差の演算結果が所定温度差Δｔｘ以上の場合は、Ｓ２８ヘ進み冷却水ポンプを稼動し続ける。
【００４５】
燃料電池１よりも冷却水熱を外部に放出するラジエタ（熱交換器）１７の方が、外部環境の影響を受けやすい場所に設置される。また燃料電池よりもラジエタの方が内部の冷却水と外気との間の熱抵抗が小さくなるように設計製造されている。従って発電を停止し冷却水循環を停止した後には、ラジエタ内の冷却水温度低下の方が燃料電池内部の冷却水温度低下よりも早い。よって従来技術のように燃料電池温度のみに応じて冷却水供給を再開すると、ラジエタから冷たい冷却水が燃料電池へ供給され、燃料電池流路内に大きい温度差を発生させることになる。
【００４６】
図６は、燃料電池入出口温度差に対するガス漏れ率の例を示すグラフである。図中実線は評価サンプル中の最大ガス漏れ率（ｍａｘ）、破線は平均ガス漏れ率（ａｖｅ）、一点鎖線は最小ガス漏れ率（ｍｉｎ）を示す。いずれも最大ガス漏れ量に対する比率で示している。最大ガス漏れ率は、燃料電池入り出口温度差がΔｔｘから立ち上がり始め、ガス漏れ率が約１５％から約８５％までは直線的に増加し、その後温度差の増加に対してガス漏れ率の増加は頭打ちになるＳ字上のカーブとなっている。最大ガス漏れ率、平均ガス漏れ率、最小ガス漏れ率のいずれも温度差が大きいほどガス漏れ率が大きくなっている。発電に寄与しない燃料ガスのガス漏れは、燃料電池の燃費効率を低下させることになる。
【００４７】
また、ラジエタは、雰囲気温度や、熱交換器の風量といった影響を受けるため、発電休止時の状況のみで判断すると、冷媒温度の予測誤差が大きくなる。
【００４８】
さらに、ラジエタは、移動体であれば、走行風によって冷却されることもあり、またラジエタへ送風するラジエタファン（冷却ファン）は、移動体客室用の空調設備と共用であることが多いため、ラジエタファンのみを制御することは、過冷却の発生を防止するということも難しく、利用者の利便性を下げることも発生する。
【００４９】
図７は、燃料電池１から電流取り出しを停止し、冷却水ポンプ１５を停止した後の冷却水温度の時間変化を説明する図である。燃料電池１から電流取り出しを停止すると、燃料電池内の発熱は停止する。そして、冷却水ポンプも停止すると、燃料電池内の冷却水温度は緩やかに低下するが、ラジエタ内の冷却水温度は、比較的早く外気温度へ向かって低下していく。そして最終的には、ラジエタ内の冷却水温度は、外気温度と等しくなる。
【００５０】
次に、図８の制御ブロック図を参照して、本実施例におけるＳ２３，Ｓ２４，Ｓ２８における燃料電池出口冷却水温度とラジエタ内冷却水温度予測値との温度差による冷却水ポンプの制御を説明する。
【００５１】
まず外気温センサ２５の検出値を読み込み、外気温センサ２５が検出したラジエタ雰囲気の温度に基づいてラジエタ内冷却水温度の予測を行う。次いで燃料電池出口温度センサ２０ｂの検出値を読み込み、燃料電池出口温度とラジエタ内冷却水温度予測値との温度差を求める。次いで、求めた温度差に基づいて、温度差が小さいほど冷却水ポンプの稼動状態（回転数）を抑制するように冷却水ポンプを制御する。
【００５２】
具体的には、例えば、制御マップを検索して、燃料電池出口冷却水温度とラジエタ内冷却水温度との温度差から目標冷却水ポンプ回転数を算出する。制御マップは、図８に示したように、温度差が所定温度差以上であれば、目標冷却水ポンプ回転数を通常発電時の回転数とし、温度差が所定温度差未満であれば、目標冷却水ポンプ回転数を０として冷却水ポンプを停止するものでもよい。
【００５３】
しかしながら、冷却水ポンプを単純なオンオフ制御よりもきめ細かく段階制御することも可能である。例えば、図４（ｂ）に示したように、温度差の判別値をΔｔ１、Δｔ２、Δｔ３とし、それぞれの温度差の区間における冷却水ポンプの目標回転数を０、ｒ１、ｒ２、ｒ３としてもよい。さらに、図４（ｃ）に示したように、温度差に対して連続的に目標回転数を変えることも可能である。
【００５４】
なお、自動車では、外気温センサ２５とラジエタ１７は、フード内に入れられるため、走行から停止した際には、フード内の熱の巻き返しが発生する。これにより、外気温センサ２５は、実際のラジエタ周囲温度より高い温度を検出する可能性があるため、走行中に検出した外気温を用いることで、予測精度を向上することができる。
【００５５】
また実施例２は実施例１と別に記述しているが、図５の破線内で示したＳ２６（実施例１のＳ２６と同じ）を追加して、実施例２と実施例１とを組み合わせて実施してもよい。
【００５６】
以上説明した実施例２によれば、ラジエタ（熱交換手段）周辺の温度を検出する外気温センサ（雰囲気温度検出手段）と、外気温度センサが検出した雰囲気温度に基づいて冷却水（冷媒）温度を予測する冷媒温度予測手段と、を備えたことにより、ラジエタ内に温度センサを設けることなく、ラジエタ内の冷却水温度を予測することができる。特に自動車では、エアコン制御用に外気温センサを取り付けるのが一般的であるため、外気温センサを用いることによって、部品を追加することなく、冷却水温度の予測を実現できる。
【００５７】
従って、モード切替手段が通常発電モードから発電休止モードへ運転モードを切り替えた際に、予測された熱交換手段内の冷媒温度と燃料電池温度との差が小さいほど、冷媒供給手段の稼動状態を抑制するように制御することができる。
【００５８】
これにより、発電休止モードにおいてもラジエタ内の冷却水温度と燃料電池内の冷却水温度との温度差を小さく維持することができる。従って、発電休止モードから通常発電モードへ復帰した際に、燃料電池温度より大幅に温度が低いラジエタ内の冷却水が燃料電池内へ流入することを防止し、燃料電池内の冷却水流路内に温度差が発生することを防止できるという効果がある。
【００５９】
この結果、燃料電池内の熱衝撃による劣化を回避し、更には、温度差による燃料ガス漏れを防止し、燃料電池の燃費効率の低下を防止できるという効果がある。
【実施例３】
【００６０】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３は、実施例２と同様に冷却水温度センサ２０ｃを用いない実施例である。本実施例では、ラジエタ内の冷却水温度を検出する冷却水温度センサ２０ｃに代えて、ラジエタ１７の雰囲気温度を検出する外気温センサ２５の検出値からラジエタ１７内部の冷却水温度を予測する方法を用いる。燃料電池システムの全体構成は、冷却水温度センサ２０ｃが不要である以外は、図１に示した実施例１と同様である。またコントローラ３０の構成は、ラジエタ内冷却水温度に代えて、ラジエタ内冷却水温度予測値を用いること以外は、図２に示した実施例１の構成例と同様である。
【００６１】
図９は、実施例３におけるコントローラ３０の制御内容を説明するフローチャートである。図９において、Ｓ１０からＳ２２までは、実施例２と同様であるので、同じ処理ステップには同じステップ番号を付与して重複する説明を省略する。
【００６２】
Ｓ２３では、ラジエタ内冷却水温度の予測値を演算する。実施例２のＳ２３と異なる点は、本実施例３のＳ２３では、外気温度と車速からラジエタ内冷却水温度の予測値を演算している点である。
【００６３】
図１０に示すように、燃料電池発電を停止し、更に冷却水ポンプを停止した後のラジエタ内冷却水温度の変化は、同じ外気温Ｔ１であっても、そのときの車速によって異なる。車速が高いほどラジエタの放熱量が多く、ラジエタ内の冷却水温度の低下が早くなる。この図１０のデータは、予め実機による実験や、熱解析で取得しておく。また発電休止モードを継続したい時間（アイドルストップ継続時間）を予め設定する。そして、この設定した時間内に低下するラジエタ内の冷却水温度を予測する。次いで、燃料電池出口温度と予測したラジエタ内の冷却水温度との温度差が許容値を超える場合には、冷却水ポンプを停止しないように制御する。
【００６４】
尚、発電休止継続時間（アイドルストップ継続時間）は、バッテリ情報から計算することもできるため、この時間を元に、その時間以内に冷却水温度が低下するかどうかを演算する方法にしてもよい。
【００６５】
バッテリ情報から発電休止継続時間を計算する場合、バッテリの放電可能電力量（または放電可能電荷量）を、燃料電池システム内及び車両内の合計消費電力（または消費電流）で除算することにより求められる。
【００６６】
Ｓ２３で、ラジエタ内冷却水温度の予測値を演算した後、この予測値と、発電を停止した直後の燃料電池出口冷却水温度（もしくは燃料電池入口冷却水温度）との差を演算する。そして温度差の演算結果と所定温度差Δｔｘ（図６に示した燃料電池のシール面からのガス漏れ率が上昇を始める直前の入出口温度差）とを比較する。
【００６７】
Ｓ２３の判定で、燃料電池冷却水出口温度とラジエタ内冷却水予測温度との温度差が所定温度差未満の場合、Ｓ３０へ進む。燃料電池冷却水出口温度とラジエタ内冷却水予測温度との温度差が所定温度差以上の場合、Ｓ３４へ進み、冷却水ポンプの稼動を続ける。
【００６８】
Ｓ３０では、ラジエタ内冷却水温度が所定温度まで低下する時間の予測値を演算し、その予測値が所定時間（アイドルストップ継続時間）を超えるか否かを判定する。Ｓ３０の判定で超えると判定される場合には、ラジエタ内冷却水温度の低下度合いが小さいのでＳ３２へ進み、冷却水ポンプを停止させる。Ｓ３０の判定でラジエタ内冷却水温度が所定温度まで低下する時間の予測値が所定時間以下の場合には、Ｓ３４へ進み、冷却水ポンプの稼動を続ける処理を行う。
【００６９】
図１１は、Ｓ３０〜Ｓ３４における判断及び制御の内容を示す制御ブロック図である。車速センサ２６から読み込んだ車速と、外気温センサ２５から読み込んだ外気温度（ラジエタ１７の雰囲気温度）から、制御マップを検索して、目標冷却水ポンプ回転数を求める。この制御マップは、車速が判別値以上となると冷却水ポンプが稼動し、車速が判別値未満であれば冷却水ポンプが停止するマップである。そしてこの判別値は、外気温度が高いほど高く設定され、逆に外気温度が低いほど低く設定されるものとする。この制御マップは、予め実機により実験的に求めてもよいし、燃料電池及びラジエタの熱モデルから熱流計算により求めてもよい。
【００７０】
尚、実施例３は車速と外気温とに基づいて、冷却水ポンプを稼動させるか停止させるかを決定したが、ラジエタファン回転数を用いて、さらに補正を行ってもよい。この場合、ラジエタファン回転数が高いほど、冷却水の温度低下が早くなるよう補正する。エアコン用の熱交換器と燃料電池用のラジエタとの間でラジエタファンを共用する構成の自動車では、エアコン用にラジエタファンを回すことがあるので、この影響を考慮することができる。また、実施例３は、実施例１、２と組み合わせて実施することも可能である。
【００７１】
以上説明した実施例３によれば、外気温ならびに車速予測されるラジエタ内冷却水温度の予測値が、所定時間以内で、所定温度まで低下する場合には、冷却水ポンプの稼動状態を抑制しないため、短時間で冷却水ポンプ回転数の変動が発生するのを防止し、利用者への違和感を与えることを防止することができるという効果がある。
【実施例４】
【００７２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。実施例４は、実施例２と同様に冷却水温度センサ２０ｃを用いない実施例である。本実施例では、ラジエタ内の冷却水温度を検出する冷却水温度センサ２０ｃに代えて、ラジエタ１７の雰囲気温度を検出する外気温センサ２５の検出値からラジエタ１７内部の冷却水温度を予測する方法を用いる。燃料電池システムの全体構成は、冷却水温度センサ２０ｃが不要である以外は、図１に示した実施例１と同様である。またコントローラ３０の構成は、ラジエタ内冷却水温度に代えて、ラジエタ内冷却水温度予測値を用いること以外は、図２に示した実施例１の構成例と同様である。
【００７３】
図１２は、実施例４におけるコントローラ３０の制御内容を説明するフローチャートである。図１２において、Ｓ１０からＳ２３までは、実施例２と同様であるので、同じ処理ステップには同じステップ番号を付与して重複する説明を省略する。実施例４では、実施例２に対してＳ４０、Ｓ４２が追加になっている。
【００７４】
Ｓ２３において、所定時間後のラジエタ内冷却水温度の予測値を演算し、燃料電池出口冷却水温度とその予測値との温度差が所定温度差未満か否かを判断する。Ｓ２３の判定で所定温度差未満の場合、Ｓ４４へ進み冷却水ポンプ１５を停止させる。
【００７５】
Ｓ２３の判定で、燃料電池出口冷却水温度と所定時間後のラジエタ内冷却水温度の予測値との温度差が所定温度差以上の場合、Ｓ２８へ進み、冷却水ポンプの稼動を続ける処理を行う。次いで、Ｓ４０の燃料電池冷却制御を行う。この冷却制御では、冷却水ポンプ１５の回転数を上昇させたり、ラジエタファン１８回転数をあげたりするなどして、ラジエタ１７からの放熱性能を向上し、燃料電池出口温度センサ２０ｂで検出される燃料電池１の温度を積極的に下げる処理を行う。
【００７６】
次いでＳ４２で、Ｓ２３と同様に、ラジエタ内冷却水温度の予測値を演算し、燃料電池出口冷却水温度と所定時間後のラジエタ内冷却水温度の予測値との温度差が所定温度差未満か否かを判定する。
【００７７】
Ｓ４２の判定で、温度差が所定温度差未満であれば、Ｓ４４へ進み、冷却水ポンプ１５を停止させる。Ｓ４２の判定で、温度差が所定温度差以上であれば、Ｓ４０へ戻り、燃料電池１の冷却制御を継続する。
【００７８】
この実施例４は実施例１〜３と別に記述しているが、実施例１〜３と任意に組み合わせで使用しても良い。
【００７９】
以上説明した実施例４によれば、燃料電池出口冷却水温度と、外気温から予測されるラジエタ内の冷却水温度予測値との差から、冷却水ポンプ回転数を、低下させられないと判断された場合、ラジファン回転数を増加させたり、冷却水ポンプ回転数を上げたりするなどのラジエタでの熱交換性能を増加させ、燃料電池出口冷却水温度を低下させる。このため、燃料電池の温度が高く、冷却水ポンプ回転数を低下させた場合に温度差発生が懸念される場合には、冷却水の外気への放熱量を増加させ、燃料電池温度を低下させることで、冷却水ポンプ回転数を低下可能な状態を積極的に作り出し、燃費を改善することができる。
【実施例５】
【００８０】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。実施例５は、実施例２と同様に冷却水温度センサ２０ｃを用いない実施例である。本実施例では、ラジエタ内の冷却水温度を検出する冷却水温度センサ２０ｃに代えて、ラジエタ１７の雰囲気温度を検出する外気温センサ２５の検出値からラジエタ１７内部の冷却水温度を予測する方法を用いる。燃料電池システムの全体構成は、冷却水温度センサ２０ｃが不要である以外は、図１に示した実施例１と同様である。またコントローラ３０の構成は、ラジエタ内冷却水温度に代えて、ラジエタ内冷却水温度予測値を用いること以外は、図２に示した実施例１の構成例と同様である。
【００８１】
図１３は、実施例５におけるコントローラ３０の制御内容を説明するフローチャートである。図１３において、Ｓ１０からＳ４４までは、実施例４と同様であるので、同じ処理ステップには同じステップ番号を付与して重複する説明を省略する。実施例５では、実施例４に対してＳ４６、Ｓ４８が追加になっている。
【００８２】
Ｓ４４において、冷却水ポンプ１５を停止した後、Ｓ４６において、燃料電池出口（入口）冷却水温度を検出し、ラジエタ内冷却水温度を検出又は予測する。そして、燃料電池出口温度とラジエタ内冷却水温度との温度差が所定値を超えたか否かを判定する。Ｓ４４の判定には、パワーマネージャの発電電流と燃料電池の電圧を検出したりすることによって、燃料電池の発熱量を演算してもよい。燃料電池の発熱量を用いる場合には、燃料電池の発熱量が所定値を超えたか否かを判定する。この判定によって、例えば、パワーマネージャの異常などによって、発電停止モードにも関わらず燃料電池の発電が行われることを検知できる。
【００８３】
Ｓ４６の判定において、燃料電池出口温度とラジエタ内冷却水温度との温度差が所定値を超えたか、或いは燃料電池発熱量が所定値を超えた場合、Ｓ４８へ進み、冷却水ポンプ１５を稼動させる。これによって、発電停止モードにも関わらず燃料電池の発電が行われる場合には、冷却水ポンプを再稼動させることによって、燃料電池温度とラジエタ内冷却水温度との温度差発生を防止することができる。
【００８４】
実施例５は、実施例１〜４とは別に記述しているが、実施例１〜４と任意に組み合わせで実施することも可能である。
【００８５】
なお本実施例では、燃料電池温度とラジエタ内冷却水温度によってのみ冷却水ポンプを停止することとした。しかしながら、燃料電池用冷却水によって冷却水ポンプ自体を冷却しているような場合において、冷却水ポンプ及び冷却水を熱的な劣化から保護する意味から、冷却水温度が所定温度を超えている場合には、冷却水ポンプの停止を行わないような判断及び制御を加えてもよい。
【００８６】
以上説明した実施例５によれば、冷却水ポンプ回転数を低下させた後、燃料電池温度と、ラジエタ内の冷却水温度予測値もしくは計測値との差が所定値を上回ったら、運転モードに関わらず、冷却水ポンプの稼動状態を、冷却水流量が増加するように、補正を行っている。このため、発電休止モードになって、発電が行われない状態になっている場合において、パワーマネージャの異常などで発電が行われた場合においても、燃料電池側の温度が上昇し、冷却水ポンプ回転数を増加させたときに、燃料電池内冷却流路での温度差が発生するということを防止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示す構成図である。
【図２】本発明を適用したコントローラ３０の構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施例１を説明したフローチャートである。
【図４】本発明の実施例１での計算方法を説明する制御ブロック図である。
【図５】本発明の実施例２を説明したフローチャートである。
【図６】燃料電池入出口温度差と、燃料電池のガス漏れ量の関係を示した図である。
【図７】冷却水ポンプ停止後の外気温度によるラジエタ内冷却水温度の時間変化を説明する図である。
【図８】本発明の実施例２での計算方法を説明する制御ブロック図である。
【図９】本発明の実施例３を説明したフローチャートである。
【図１０】冷却水ポンプ停止後の車速によるラジエタ内冷却水温度の時間変化を説明する図である。
【図１１】本発明の実施例３での計算方法を説明する図である。
【図１２】本発明の実施例４を説明したフローチャートである。
【図１３】本発明の実施例５を説明したフローチャートである。
【符号の説明】
【００８８】
１…燃料電池、２…水素タンク、３…水素タンク元弁、４…減圧弁、５…水素調圧弁、６…水素循環ポンプ、７…水素循環路、８…パージ弁、９…希釈装置、１０…コンプレッサ、１１…流量センサ、１２…電圧センサ、１３ａ、１３ｂ…圧力センサ、１４…空気調圧弁、１５…冷却水ポンプ、１６…冷却水流路、１７…ラジエタ、１８…ラジエタファン、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…温度センサ、２１…パワーマネジャー、２２…バッテリ、２３…バッテリコントローラ、２４…オン／オフスイッチ、２５…外気温センサ、２６…車速センサ、２７…アクセル開度センサ、３０…コントローラ、４０…駆動モータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009199940.tif 000009
【図８】
2009199940.tif 000010
【図９】
2009199940.tif 000011
【図１０】
2009199940.tif 000012
【図１１】
2009199940.tif 000013
【図１２】
2009199940.tif 000014
【図１３】
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