JP2010067460A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を冷却する冷媒の流量を制限する制御を行う燃料電池システムであって、燃料電池の過昇温を防止できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、燃料電池を流通する冷媒の流量を制御するＣＣＶと、を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池出力値が所定の出力閾値より大きいか、又は、システム温度が所定の温度閾値より大きい場合には、ＣＣＶを全開にするＣＣＶ全開制御を行う。一方、燃料電池出力値が所定の出力閾値以下であり、かつ、システム温度が所定の温度閾値以下である場合には、ＣＣＶを全閉し、燃料電池を流通する冷媒を制限するＣＣＶ開度制限制御を行う。また、温度上昇率を算出し、この算出した温度上昇率に基づいて、出力閾値及び温度閾値を変更する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしてのエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池システムが注目されている。

ところで、発電中の燃料電池を発電に最適な温度に保つために、燃料電池システムには、燃料電池を冷却する冷却装置が設けられる。この冷却装置は、燃料電池に冷媒を通過させ、燃料電池と冷媒との間で熱交換することにより燃料電池を冷却する。

一方、燃料電池の起動直後など、燃料電池の温度が上述の最適な温度よりも低い場合には、冷却装置により燃料電池を冷却するのは好ましくない。そこで、例えば特許文献１には、燃料電池から排出されるエアの温度に応じて、燃料電池に冷媒を圧送するポンプを間欠運転する燃料電池システムが提案されている。このように、ポンプを間欠運転することにより、燃料電池の昇温を促進することができる。
特表２００５−５１８０７７号公報

とことで、燃料電池の温度変化は、燃料電池の出力状態や、燃料電池が置かれた環境の温度などによって大きく変わる。すなわち、燃料電池の出力が大きいほど、また、燃料電池が置かれた環境の温度が高いほど、燃料電池の温度は大きく上昇する。

しかしながら、特許文献１に示された燃料電池システムでは、燃料電池から排出されたエアの温度に基づいてポンプの間欠運転を行うか否かの判断を行っていたため、上述のような状況で燃料電池の温度が急激に上昇した場合、燃料電池への冷媒の供給量が不足してしまい、燃料電池の温度が過度に上昇し、結果として燃料電池の性能が低下してしまう虞がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池を冷却する冷媒の流量を制限する制御を行う燃料電池システムであって、燃料電池の過昇温を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、当該燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路（例えば、後述の冷媒循環通路４１）と、当該燃料電池を流通する冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段（例えば、後述のＣＣＶ４５又はウォータポンプ４２）と、前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段（例えば、後述の電流センサＳＩＦＣ、電圧センサＳＶＦＣ、及びＥＣＵ５０）と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（例えば、後述の温度センサＳＴＡ、及びＥＣＵ５０）と、前記出力検出手段により検出された出力値が所定の出力閾値以下であり、かつ、前記温度検出手段により検出された温度値が所定の温度閾値以下である場合には、前記冷媒流量制御手段を制御して、前記燃料電池を流通する冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段（例えば、後述のＥＣＵ５０、及び図４，７に示す冷媒流量制限処理を実行する手段）と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度変化量を算出する温度変化量算出手段（例えば、後述の温度センサＳＴＡ、及びＥＣＵ５０）をさらに備え、前記冷媒流量制限手段は、前記温度変化量算出手段により算出された温度変化量（例えば、後述の温度上昇率）に基づいて、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を変更することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の出力値が所定の出力閾値以下であり、かつ、燃料電池の温度値が所定の温度閾値以下である場合には、冷媒流量制御手段を制御して、燃料電池を流通する冷媒の流量を制限する。また、燃料電池の温度変化量を算出し、算出した温度変化量に基づいて、これら出力閾値及び温度閾値、あるいは、出力閾値又は温度閾値を変更する。したがって、燃料電池が夏場の高温環境下に置かれた場合や大きな出力が取り出されている場合など、燃料電池の温度変化が激しい状態において冷媒の流量を制限している場合であっても、燃料電池の温度変化量に応じて各閾値を適切に変更することにより、燃料電池が過昇温し性能が低下するのを防止できる。

この場合、前記冷媒流量制限手段は、前記温度変化量算出手段により算出された温度変化量が所定の値以上である場合には、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を、温度変化量が前記所定の値より小さい場合と比較して小さな値に変更することが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の温度変化量が所定の値以上である場合には、出力閾値及び温度閾値、あるいは、出力閾値又は温度閾値を、温度変化量が所定の値より小さい場合と比較して小さな値に変更する。すなわち、燃料電池の温度変化量が所定の値以上である場合には、冷媒の流量を制限する制御が解除されやすくなるように、各閾値を変更する。これにより、燃料電池の過昇温をより確実に防止できる。

この場合、前記冷媒流量制限手段は、前記温度変化量算出手段により算出された温度変化量が大きくなるに従い、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を小さな値になるように変更することが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の温度変化量を算出し、算出した温度変化量が大きくなるに従い、出力閾値及び温度閾値、あるいは、出力閾値又は温度閾値を小さな値に変更する。したがって、燃料電池の温度変化量が大きくなるに従い、冷媒の流量を制限する制御が解除されやすくなるように、各閾値を変更する。これにより、燃料電池の過昇温をより確実に防止できる。

この場合、前記冷媒循環通路を流通する冷媒を冷却するラジエタ（例えば、後述のラジエタ４３）と、前記ラジエタをバイパスするバイパス通路（例えば、後述のラジエタバイパス通路４１３）と、前記冷媒循環通路に設けられ、冷媒の温度に応じて冷媒が流通する通路を前記バイパス通路と前記ラジエタを流通する通路とで切り替えるサーモスタット弁（例えば、後述のサーモスタット弁４４）と、前記サーモスタット弁により通路が切り替えられる冷媒の温度値を切替冷媒温度値とし、前記冷媒流量制限手段は、前記温度検出手段により検出された温度値が、前記切替冷媒温度値に対応する前記燃料電池の温度値以下である場合には、前記出力閾値を変更しないことが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の温度値が、切替冷媒温度値に対応する燃料電池の温度値以下である場合には、温度変化量の大きさにかかわらず出力閾値を変更しない。ところで、燃料電池の温度が、サーモスタット弁が動作する切替冷媒温度に対応する温度以下である場合には、燃料電池の出力を増加したとしても過昇温になりにくく、逆に過冷却になりやすい。この発明によれば、このような過冷却になりやすい状態では出力閾値を変更しないことにより、燃料電池が過冷却されるのを防止し、暖機にかかる時間を短縮できる。

この場合、前記冷媒循環通路を流通する冷媒を冷却するラジエタ（例えば、後述のラジエタ４３）と、前記ラジエタをバイパスするバイパス通路（例えば、後述のラジエタバイパス通路４１３）と、前記冷媒循環通路に設けられ、冷媒の温度に応じて冷媒が流通する通路を前記バイパス通路と前記ラジエタを流通する通路とで切り替えるサーモスタット弁（例えば、後述のサーモスタット弁４４）と、前記サーモスタット弁により通路が切り替えられる冷媒の温度値を切替冷媒温度値とし、前記冷媒流量制限手段は、前記温度検出手段により検出された温度値が、前記切替冷媒温度値に対応する前記燃料電池の温度値以下である場合には、前記出力閾値を大きな値に変更することが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の温度値が、切替冷媒温度値に対応する燃料電池の温度値以下である場合には、出力閾値を大きな値に変更する。ところで、燃料電池の温度が、サーモスタット弁が動作する切替冷媒温度に対応する温度以下である場合には、燃料電池の出力を増加したとしても過昇温になりにくく、逆に過冷却になりやすい。この発明によれば、このような過冷却になりやすい状態では出力閾値を大きな値に変更し、冷媒の流量を制限する制御が解除されにくくなるようにする。これにより、燃料電池が過冷却されるのを防止し、暖機にかかる時間をさらに短縮できる。

本発明の制御方法は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、当該燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、当該燃料電池を流通する冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段と、前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の温度変化量を算出する温度変化量算出工程と、前記出力検出手段により検出された出力値が所定の出力閾値以下であり、かつ、前記温度検出手段により検出された温度値が所定の温度閾値以下である場合には、前記冷媒流量制御手段を制御して、前記燃料電池を流通する冷媒の流量を制限する冷媒流量制限工程と、を備え、前記冷媒流量制限工程では、前記温度変化量算出工程において算出された温度変化量に基づいて、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を変更することを特徴とする。

この燃料電池システムの制御方法は、上述の燃料電池システムを、方法の発明として展開したものであり、上述の燃料電池システムと同様の効果を奏する。

この発明によれば、燃料電池が夏場の高温環境下に置かれた場合や大きな出力が取り出されている場合など、燃料電池の温度変化が激しい状態において冷媒の流量を制限している場合であっても、燃料電池の温度変化量に応じて各閾値を適切に変更することにより、燃料電池が過昇温し性能が低下するのを防止できる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０にアノードガスやカソードガスを供給する供給装置２０と、燃料電池１０を通して冷媒を循環させる冷却装置４０と、これら燃料電池１０、供給装置２０、及び冷却装置４０を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５０とを有する。この燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０により発電された電力を動力源とする図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に形成されたアノード流路にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に形成されたカソード流路に酸素を含むカソードガスとしての空気（エア）が供給されると、これら反応ガスの電気化学反応により発電する。この燃料電池１０の各セパレータの間には、後述の冷却装置４０の冷媒が流れる燃料電池内部通路１０１が形成されている。上記電気化学反応により発熱した燃料電池１０は、この燃料電池内部通路１０１を流通する冷媒と熱交換することにより冷却される。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード流路にエアを供給するエアコンプレッサ２１と、燃料電池１０のアノード流路に水素ガスを供給する水素タンク３１及びエゼクタ３２と、を含んで構成される。

エアコンプレッサ２１は、エア供給路２２を介して、燃料電池１０のカソード流路の入口側に接続されている。燃料電池１０のカソード流路の出口側には、エア排出路２３が接続され、このエア排出路２３の先端側には、図示しない希釈器が接続されている。この他、エア排出路２３には、このエア排出路２３を開閉する背圧弁２４が設けられている。

水素タンク３１は、水素供給路３３を介して、燃料電池１０のアノード流路の入口側に接続されている。この水素供給路３３には、エゼクタ２８が設けられている。また、水素供給路３３のうち水素タンク３１とエゼクタ３２との間には、水素タンク３１から供給される水素ガスを減圧する図示しない遮断弁及びレギュレータが設けられている。

燃料電池１０のアノード流路の他端側には、水素還流路３４が接続される。この水素還流路３４の先端側は、エゼクタ３２に接続されている。エゼクタ３２は、水素還流路３４を流通する水素ガスを回収し、水素供給路３３に還流する。

また、この水素還流路３４には、水素排出路３５が分岐して設けられている。この水素排出路３５の先端側には、上述の希釈器が接続されている。この他、水素排出路３５には、この水素排出路３５を開閉するパージ弁３６が設けられている。

冷却装置４０は、燃料電池１０を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路４１と、この冷媒循環通路４１に接続されたウォータポンプ４２及びラジエタ４３とを備える。

冷媒循環通路４１は、ラジエタ４３から燃料電池１０へ延びる燃料電池流入通路４１１と、燃料電池１０に形成された燃料電池内部通路１０１と、燃料電池１０からラジエタ４３へ延びる燃料電池流出通路４１２と、ラジエタ４３に形成された後述のラジエタ内部通路４３１と、を含んで構成される。
また、この冷媒循環通路４１には、燃料電池流出通路４１２から分岐して燃料電池流入通路４１１に連結され、ラジエタ４３をバイパスするラジエタバイパス通路４１３が、さらに設けられている。

ラジエタ４３には、燃料電池流出通路４１２及び燃料電池流入通路４１１と接続されたラジエタ内部通路４３１が設けられている。ラジエタ４３は、ラジエタ内部通路４３１を流通する冷媒と熱交換することにより、この冷媒を冷却する。

ウォータポンプ４２は、燃料電池流入通路４１１のうち燃料電池１０とラジエタバイパス通路４１３が合流する部分との間に設けられ、燃料電池１０側へ冷媒を圧送することで、冷媒循環通路４１内で冷媒を循環させる。
なお、このウォータポンプ４２の駆動軸は、上述のエアコンプレッサ２１の駆動軸と同軸に連結されている。したがって、エアコンプレッサ２１を駆動することにより、同時にウォータポンプ４２を駆動し、冷媒を冷媒循環通路４１内で循環させることができる。このように、本実施形態では、駆動軸がエアコンプレッサ２１の駆動軸と同軸に連結されたウォータポンプ４２を用いるが、これに限るものではない。

燃料電池流出通路４１２のうち、ラジエタバイパス通路４１３と分岐した部分には、サーモスタット弁４４が設けられている。
サーモスタット弁４４は、冷媒の温度に応じて膨張及び収縮するワックスを備える。これにより、サーモスタット弁４４は、冷媒の温度に応じて冷媒が流通する通路を、ラジエタバイパス通路４１３とラジエタ内部通路４３１とで切り替える。

サーモスタット弁４４が動作する冷媒の温度、すなわち、冷媒の流通する通路が、ラジエタバイパス通路４１３側とラジエタ内部通路４３１側とで切り替わる冷媒の温度を、以下では切替冷媒温度という。
サーモスタット弁４４は、例えば、燃料電池１０が暖機中であり、冷媒の温度が切替冷媒温度よりも低い場合には、冷媒が流通する通路をラジエタバイパス通路４１３側にすることで、冷媒の過冷却を防止する。一方、燃料電池１０の暖機が完了し、冷媒の温度が切替冷媒温度よりも高くなった場合には、冷媒が流通する通路をラジエタ内部通路４３１側にすることで、冷媒を冷却する。

また、燃料電池流出通路４１２のうち、燃料電池１０とサーモスタット弁４４との間には、冷媒流量制御手段としての冷媒流量制御弁４５（以下、「ＣＣＶ（Ｃｏｏｌａｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）」という）が設けられている。
ＣＣＶ４５は、例えば、バタフライバルブにより構成される。ＣＣＶ４５は、燃料電池流出通路４１２を開閉することにより、燃料電池１０の燃料電池内部通路１０１を流通する冷媒の流量を制御する。なお、このＣＣＶ４５の開度を制御するＣＣＶ制御処理については、後に図２〜図５を参照して詳述する。

以上のような燃料電池システム１には、燃料電池１０の出力を検出する出力検出手段としての電流センサＳＩＦＣ及び電圧センサＳＶＦＣと、燃料電池１０の温度を検出する温度検出手段としての温度センサＳＴＡとが設けられている。

電流センサＳＩＦＣは、燃料電池１０から取り出された電流値を検出し、検出信号をＥＣＵ５０に送信する。電圧センサＳＶＦＣは、燃料電池１０の電圧値を検出し、検出信号をＥＣＵ５０に送信する。ＥＣＵ５０では、これら電流センサＳＩＦＣ及び電圧センサＳＶＦＣの検出値に基づいて、燃料電池１０から取り出される出力（電力）が算出される。以下では、算出した出力値を燃料電池出力値という。

温度センサＳＴＡは、燃料電池１０からエア排出路２３に排出されたエア（以下、「カソードオフガス」という）の温度を検出し、検出信号をＥＣＵ５０に送信する。ＥＣＵ５０では、検出したカソードオフガスの温度に基づいて、燃料電池１０の面内温度が算出される。以下では、算出した燃料電池１０の面内温度値をシステム温度値という。

上述のエアコンプレッサ２１、背圧弁２４、パージ弁３６は、ウォータポンプ４２、及びＣＣＶ４５は、それぞれＥＣＵ５０に電気的に接続されており、ＥＣＵ５０により制御される。

ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ５０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、エアコンプレッサ２１、背圧弁２４、パージ弁３６、及びＣＣＶ４５などに制御信号を出力する出力回路とを備える。

また、ＥＣＵ５０には、燃料電池１０の起動要求及び停止要求を検出するイグニッションスイッチが接続されている。このイグニッションスイッチは、燃料電池システム１が搭載された燃料電池車両の運転席に設けられており、運転者の操作に応じて、起動を指令するオン信号又は停止を指令するオフ信号をＥＣＵ５０に送信する。ＥＣＵ５０は、イグニッションスイッチから出力されたオン／オフ信号に従い、燃料電池１０の起動を開始したり、燃料電池１０の発電を停止したりする。

ここで、イグニッションがオンにされた後、燃料電池１０で発電する手順は以下のようになる。
すなわち、パージ弁３６を閉じておき、水素タンク３１から、水素供給路３３を介して、燃料電池１０のアノード流路に水素ガスを供給する。また、エアコンプレッサ２１を駆動することにより、エア供給路２２を介して、燃料電池１０のカソード流路にエアを供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガス及び空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード流路内の生成水などの残留水とともに、水素還流路３４及びエア排出路２３に流入する。このとき、パージ弁３６は閉じているので、燃料電池１０から排出される水素ガスは、エゼクタ３２に還流されて、燃料電池１０に再度供給される。

また、以上のようにして燃料電池１０で発電を行うためにエアコンプレッサ２１を駆動すると、同時にウォータポンプ４２も駆動され、冷媒循環通路４１内を冷媒が循環する。以下では、図２〜図５を参照して、ＣＣＶ４５の開度を制御するＣＣＶ制御処理について説明する。

図２は、ＥＣＵによるＣＣＶ制御処理の手順を示すフローチャートである。このＣＣＶ制御処理は、イグニッションスイッチをオンにしたことを契機として開始する。

ステップＳ１では、システム温度が所定の設定値以下であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ２に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ３に移る。

ステップＳ２では、冷媒流量制限処理を実行し、ステップＳ１に移る。この冷媒流量制限処理では、所定の制御マップに基づいてシステム温度値及び燃料電池出力値に応じたＣＣＶの開度を決定し、さらに決定した開度でＣＣＶを制御することにより、燃料電池を流通する冷媒の流量を制限する。

図３は、ＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。
図３に示すように、燃料電池出力値が所定の出力閾値よりも大きいか、又は、システム温度値が所定の温度閾値よりも大きい場合には、ＣＣＶ全開制御が行われる。このＣＣＶ全開制御では、ＣＣＶを全開にすることにより燃料電池の冷却を促進する。
また、燃料電池出力値が所定の出力閾値以下であり、かつ、システム温度値が所定の温度閾値以下である場合には、ＣＣＶ開度制限制御が行われる。このＣＣＶ開度制限制御では、ＣＣＶの開度を全開時よりも小さくすることにより、燃料電池を流通する冷媒の流量を制限する。より具体的には、ＣＣＶ開度制限制御時ではＣＣＶを全閉にするが、これに限らず、ＣＣＶを全開と全閉の中間の開度にしてもよい。
なお、この冷媒流量制限処理の具体的な手順については、後に図４及び図５を参照して詳述する。

図２に戻って、ステップＳ３では、システム温度が上述の設定値より大きいことに応じて、ＣＣＶの開度を全開にし、ステップＳ４に移る。ステップＳ４では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、このＣＣＶ制御処理を終了し、ＮＯの場合には、ステップＳ４に移る。

図４は、ＥＣＵによる冷媒流量制限処理の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１１では、システム温度値の単位時間当たりの上昇量、すなわち温度上昇率を算出し、ステップＳ１２に移る。

ステップＳ１２では、温度上昇率が所定の設定値以上であるか否かを判別する。この判別がＮＯの場合、すなわち、温度上昇率が設定値よりも小さい場合には、ステップＳ１３に移り、通常時用の制御マップ（後述の図５参照）に基づいてＣＣＶの開度を決定する。一方、この判別がＹＥＳの場合、すなわち、温度上昇率が設定値以上である場合には、ステップＳ１４に移り、急昇温時用に設定された制御マップ（後述の図５参照）に基づいてＣＣＶの開度を決定する。ステップＳ１５では、決定された開度に応じてＣＣＶを制御し、冷媒流量制限処理を終了する。

図５は、ＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。
図５において、破線で示す通常時用の制御マップと、実線で示す急昇温時用の制御マップとでは、ＣＣＶ全開制御を行う領域とＣＣＶ開度制限制御を行う領域とを分けるシステム温度値及び燃料電池出力値の閾値が異なる。急昇温時用の制御マップでは、出力閾値及び温度閾値は、ともに通常時用の制御マップにおける閾値よりも小さな値に変更される。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）図６は、ＣＣＶ開度制限制御を行い続けた場合におけるシステム温度の時間変化を示す図である。図６において、実線は温度上昇率が小さい場合を示し、破線は温度上昇率が大きい場合を示す。
図６に示すように、温度上昇率が大きいと、時刻ｔ１では同じ温度であっても、その後の時刻ｔ２では大きな温度差が生じてしまい、燃料電池が過昇温する虞がある。したがって、燃料電池が夏場の高温環境下に置かれた場合や大きな出力が取り出されている場合など、温度上昇率が大きい状態では、ＣＣＶ開度制限制御が解除されやすいように出力閾値及び温度閾値を変更することが好ましい。特に、上述のような冷媒を冷媒循環通路に沿って循環させる冷却装置では、冷媒の流量を変えてからシステム温度にその影響が現れるまでに時間がかかる虞がある。本実施形態では、温度上昇率を算出し、算出した温度上昇率に基づいて、出力閾値及び温度閾値を適切に変更することにより、燃料電池が過昇温し性能が低下するのを防止できる。

（２）温度上昇率が所定の設定値以上である場合には、出力閾値及び温度閾値を、温度上昇率が設定値より小さい場合と比較して小さな値に変更する。したがって、温度上昇率が設定値以上である場合には、ＣＣＶ開度制限制御が解除されやすくなるように、各閾値を変更する。これにより、燃料電池の過昇温をより確実に防止できる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図７は、本実施形態に係る冷媒流量制限処理の手順を示すフローチャートである。
以下に示すように、本実施形態の冷媒流量制御処理では、算出した温度上昇率に応じて出力閾値及び温度閾値を連続的に変更する点が、第１実施形態の冷媒流量制御処理と異なる。

ステップＳ２１では、システム温度値の温度上昇率を算出し、ステップＳ２２に移る。ステップＳ２２では、温度上昇率に応じた出力閾値及び温度閾値を設定し、ステップＳ２３に移る。ステップＳ２３では、設定された出力閾値及び温度閾値のもとでＣＣＶの開度を決定し、ステップＳ２４に移る。ステップＳ２４では、決定された開度に応じてＣＣＶを制御し、冷媒流量制限処理を終了する。

図８は、ＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。
図９は、出力閾値及び温度閾値と温度上昇率との関係を模式的に示す図である。図９において、横軸は温度上昇率を示し、縦軸は出力閾値及び温度閾値を示す。
これら図８及び図９に示すように、出力閾値及び温度閾値は、それぞれ、温度上昇率が大きくなるに従い、小さな値になるように変更される。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（３）温度上昇率を算出し、算出した温度上昇率が大きくなるに従い、出力閾値及び温度閾値を小さな値に変更する。したがって、温度上昇率が大きくなるに従い、ＣＣＶ開度制限制御が解除されやすくなるように、各閾値を変更する。これにより、燃料電池の過昇温をより確実に防止できる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態について、図１０を参照して説明する。
以下の第３実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図１０は、本実施形態に係るＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。
図１０において、破線で示す通常時用の制御マップと、実線で示す急昇温時用の制御マップとでは、ＣＣＶ全開制御を行う領域とＣＣＶ開度制限制御を行う領域とを分けるシステム温度値及び燃料電池出力値の閾値が異なる。

より具体的には、急昇温時用の制御マップにおける温度閾値は、通常時用の制御マップにおける温度閾値よりも小さな値に変更される。
また、サーモスタット弁の切替冷媒温度値に対応する燃料電池の温度値を切替システム温度値として、システム温度値が切替システム温度値より大きい場合には、急昇温時用の制御マップにおける出力閾値は、通常時用の制御マップにおける出力閾値よりも小さな値に変更される。また、システム温度値が切替システム温度値以下である場合には、急昇温時用の制御マップにおける出力閾値は、通常時用の制御マップにおける出力閾値から変更せずに同じ値を用いる。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（４）システム温度値が、サーモスタット弁の切替冷媒温度値に対応する切替システム温度値以下である場合には、温度上昇率の大きさにかかわらず出力閾値を変更しない。ところで、システム温度が、このような切替システム温度以下である場合には、燃料電池の出力を増加したとしても過昇温になりにくく、逆に過冷却になりやすい。本実施形態では、このような過冷却になりやすい状態では出力閾値を変更しないことにより、燃料電池が過冷却されるのを防止し、暖機にかかる時間を短縮できる。

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態について、図１１を参照して説明する。
以下の第４実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図１１は、本実施形態に係るＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。
図１１において、破線で示す通常時用の制御マップと、実線で示す急昇温時用の制御マップとでは、ＣＣＶ全開制御を行う領域とＣＣＶ開度制限制御を行う領域とを分けるシステム温度値及び燃料電池出力値の閾値が異なる。

より具体的には、急昇温時用の制御マップにおける温度閾値は、通常時用の制御マップにおける温度閾値よりも小さな値に変更される。
また、サーモスタット弁の切替冷媒温度値に対応する燃料電池の温度値を切替システム温度値として、システム温度値が切替システム温度値より大きい場合には、急昇温時用の制御マップにおける出力閾値は、通常時用の制御マップにおける出力閾値よりも小さな値に変更される。また、システム温度値が切替システム温度値以下である場合には、急昇温時用の制御マップにおける出力閾値は、通常時用の制御マップにおける出力閾値よりも大きな値に変更する。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（５）システム温度値が、サーモスタット弁の切替冷媒温度値に対応する切替システム温度値以下である場合には、出力閾値を大きな値に変更する。本実施形態によれば、このような過冷却になりやすい状態では出力閾値を大きな値に変更し、ＣＣＶ開度制限制御が解除されにくくなるようにする。これにより、燃料電池が過冷却されるのを防止し、暖機にかかる時間をさらに短縮できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
上記実施形態では、出力閾値及び温度閾値の両方を小さな値に変更したが、これに限らず、例えば出力閾値のみ又は温度閾値のみを小さな値に変更してもよい。

また、上記実施形態では、ＣＣＶの開度を変えることにより燃料電池を流通する冷媒の流量を制御したが、これに限らない。例えば、ウォータポンプとエアコンプレッサを同軸で駆動していない燃料電池システムでは、ウォータポンプとエアコンプレッサとをそれぞれ独立して駆動することができる。この場合、ウォータポンプの回転数を変更することにより、燃料電池を流通する冷媒の流量を制御してもよい。

上記実施形態では、温度センサＳＴＡによりカソードオフガスの温度を検出し、検出した温度に基づいてシステム温度値を算出したが、これに限らない。
例えば、燃料電池から水素還流路に排出された水素ガスの温度を検出し、検出した温度に基づいて、システム温度値を算出してもよい。この他、燃料電池から燃料電池流出通路に排出された冷媒の温度を検出し、検出した温度に基づいて、システム温度値を算出してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係るＣＣＶ制御処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係るＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。 上記実施形態に係る冷媒流量制限処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係るＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。 上記実施形態に係るＣＣＶ開度制限制御を行い続けた場合におけるシステム温度の時間変化を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る冷媒流量制限処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る各閾値と温度上昇率との関係を示す図である。 上記実施形態に係るＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。 本発明の第３実施形態に係るＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。 本発明の第４実施形態に係るＣＣＶの開度を決定するための制御マップを示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…供給装置
４０…冷却装置
４１…冷媒循環通路
４１１…燃料電池流入通路
１０１…燃料電池内部通路
４１２…燃料電池流出通路
４３１…ラジエタ内部通路
４１３…ラジエタバイパス通路
４２…ウォータポンプ
４３…ラジエタ
４４…サーモスタット弁
４５…ＣＣＶ（冷媒流量制御手段）
５０…ＥＣＵ（冷媒流量制限手段）
ＳＩＦＣ…電流センサ（出力検出手段）
ＳＶＦＣ…電圧センサ（出力検出手段）
ＳＴＡ…温度センサ（温度検出手段）

Claims (6)

1. 反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
   当該燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
   当該燃料電池を流通する冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段と、
   前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記出力検出手段により検出された出力値が所定の出力閾値以下であり、かつ、前記温度検出手段により検出された温度値が所定の温度閾値以下である場合には、前記冷媒流量制御手段を制御して、前記燃料電池を流通する冷媒の流量を制限する冷媒流量制限手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の温度変化量を算出する温度変化量算出手段をさらに備え、
   前記冷媒流量制限手段は、前記温度変化量算出手段により算出された温度変化量に基づいて、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を変更することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷媒流量制限手段は、前記温度変化量算出手段により算出された温度変化量が所定の値以上である場合には、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を、温度変化量が前記所定の値より小さい場合と比較して小さな値に変更することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒流量制限手段は、前記温度変化量算出手段により算出された温度変化量が大きくなるに従い、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を小さな値になるように変更することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷媒循環通路を流通する冷媒を冷却するラジエタと、
   前記ラジエタをバイパスするバイパス通路と、
   前記冷媒循環通路に設けられ、冷媒の温度に応じて冷媒が流通する通路を前記バイパス通路と前記ラジエタを流通する通路とで切り替えるサーモスタット弁と、
   前記サーモスタット弁により通路が切り替えられる冷媒の温度値を切替冷媒温度値とし、
   前記冷媒流量制限手段は、前記温度検出手段により検出された温度値が、前記切替冷媒温度値に対応する前記燃料電池の温度値以下である場合には、前記出力閾値を変更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。
5. 前記冷媒循環通路を流通する冷媒を冷却するラジエタと、
   前記ラジエタをバイパスするバイパス通路と、
   前記冷媒循環通路に設けられ、冷媒の温度に応じて冷媒が流通する通路を前記バイパス通路と前記ラジエタを流通する通路とで切り替えるサーモスタット弁と、
   前記サーモスタット弁により通路が切り替えられる冷媒の温度値を切替冷媒温度値とし、
   前記冷媒流量制限手段は、前記温度検出手段により検出された温度値が、前記切替冷媒温度値に対応する前記燃料電池の温度値以下である場合には、前記出力閾値を大きな値に変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
   当該燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
   当該燃料電池を流通する冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段と、
   前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の温度変化量を算出する温度変化量算出工程と、
   前記出力検出手段により検出された出力値が所定の出力閾値以下であり、かつ、前記温度検出手段により検出された温度値が所定の温度閾値以下である場合には、前記冷媒流量制御手段を制御して、前記燃料電池を流通する冷媒の流量を制限する冷媒流量制限工程と、を備え、
   前記冷媒流量制限工程では、前記温度変化量算出工程において算出された温度変化量に基づいて、前記出力閾値及び前記温度閾値、あるいは、前記出力閾値又は前記温度閾値を変更することを特徴とする制御方法。

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