JP2002329521A - 燃料電池システム及び燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池停止時に冷却水温度を速やかに低下
させて燃料電池構成部材に掛かる応力を低減し、水漏れ
を防止する。 【解決手段】 燃料電池本体５を冷却する冷却系は、ラ
ジエータ１、ラジエータ１に外気を送風する冷却ファン
２、冷却水リザーブタンク３、冷却水ポンプ４を備えて
いる。燃料電池システムを運転状態から停止する時、制
御装置１７は、冷却水温度センサ１１、１２、および外
気温度センサ１３による検出結果に基づく冷却停止条件
が成立するまで、冷却水ポンプ４及び冷却ファン２の駆
動を継続し、速やかに冷却水温度を降下させ、冷却水の
飽和水蒸気圧による圧力を軽減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
及びこれを搭載した燃料電池自動車に係り、特に燃料電
池システム停止時に速やかに燃料電池本体を降温（クー
ルダウン）させて、燃料電池本体におけるガス極と冷却
水極との圧力差を小さくすることで燃料電池本体の水漏
れを防止できる燃料電池システム及び燃料電池自動車に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池の冷却システムとして
は、特開平１０−４０９４１号公報記載の「燃料電池発
電システム」（以下、第１従来技術）、特開平２−２３
０６６５号公報記載の「燃料電池発電装置」（以下、第
２従来技術）が知られている。

【０００３】第１従来技術は、燃料電池の制御ユニット
としてメイン制御装置とバックアップ制御装置（又は冷
却系専用制御装置）とを備えることにより、メイン制御
装置が故障した場合においても、バックアップ制御装置
により、温度検出手段と温度調整弁、冷却水ポンプおよ
び冷却ファンなどが駆動されるように構成されている。

【０００４】第２従来技術は、水冷式燃料電池発電装置
の改質水蒸気発生系および燃料電池冷却系の構造、こと
にその始動および停止時の温度制御特性の改善に関する
もので、加熱循環系に電気ヒータを備え、冷却水循環系
に冷却器を備えた分岐循環系を切換え可能に連結するこ
とにより、蒸気発生系用と燃料電池予熱用の熱源の共用
を可能とし、運転停止時の降温を容易にしたものであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池システムを電
源として電気自動車に搭載する場合、冷却水の蒸発を抑
制して給水を不要にするとともに、冷却水ポンプで発生
しやすいキャビテーション現象を防止する必要がある。
このため、内燃機関の冷却水経路と同様に燃料電池の冷
却水経路も大気に開放せず密閉構造としている。そし
て、冷却水の温度上昇時の体積膨張を吸収するととも
に、温度低下時に冷却水を冷却経路に戻すために冷却水
リザーブタンクが設けられる。

【０００６】このような冷却構造を有する燃料電池シス
テムの運転状態では、冷却水温度が高いために、冷却水
リザーブタンク内においては冷却水温度の飽和蒸気圧ま
で冷却水が蒸発することによって、冷却水経路内の圧力
が飽和蒸気圧分だけ大気圧よりも高くなっている。しか
し運転状態では、燃料電池本体に燃料ガス及び酸化剤ガ
スが運転状態に応じた圧力で供給されているため、これ
らのガス経路と冷却水経路とを隔てる構造部材にかかる
圧力差はあまり大きくない。

【０００７】しかしながら、燃料電池システムの停止時
には、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が
停止して圧力が低下するにも関わらず、冷却水温度が直
ちに低下しないので、飽和蒸気圧が高い状態が継続す
る。このため、飽和蒸気圧力に相当する圧力差がガス経
路と冷却水経路とを隔てる構造部材に加わる。この圧力
差は冷却水の温度が低下するまで継続するので、燃料電
池内部で水漏れを引き起こすことがあるという問題点が
あった。

【０００８】以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃
料電池停止時に冷却水温度を速やかに低下させてガス経
路と冷却水経路との圧力差を低減し、燃料電池の水漏れ
を防止することができる燃料電池システムを提供するこ
とである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、燃料極と酸化剤極とが対設
され冷却水で冷却される燃料電池本体と、前記燃料極に
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤極
に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記冷
却水の熱を燃料電池システムの外部へ放出する空冷式の
熱交換器と、前記燃料電池本体と前記熱交換器との間で
冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記冷却水の温度
を検出する冷却水温度検出手段と、前記熱交換器に外気
を導く冷却ファンと、を備えた燃料電池システムにおい
て、燃料電池システムを停止する時、前記冷却水温度検
出手段の検出結果に基づく冷却停止条件が成立した場合
に、前記冷却水ポンプ及び前記冷却ファンを停止する制
御手段を備えたことを要旨とする。

【００１０】上記目的を達成するため、請求項２記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、外
気の温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記冷却
停止条件は、前記冷却水温度検出手段の検出結果が所定
値以下で、かつ、前記冷却水温度検出手段の検出結果及
び前記外気温度検出手段の検出結果に基づいて算出され
るパラメータ値が所定条件を満足すること、を要旨とす
る。

【００１１】上記目的を達成するため、請求項３記載の
発明は、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前
記冷却水温度検出手段は、前記熱交換器の入口における
冷却水温度を検出する第１の冷却水温度検出手段と、前
記熱交換器の出口における冷却水温度を検出する第２の
冷却水温度検出手段からなり、前記冷却停止条件は、前
記第２の冷却水温度検出手段の検出結果が所定値以下
で、かつ、前記第１または第２の冷却水温度検出手段の
検出結果と、前記第１及び第２の冷却水温度検出手段の
検出結果の差と、前記外気温度検出手段の検出結果と、
に基づいて算出されるパラメータ値が所定条件を満足す
ること、を要旨とする。

【００１２】上記目的を達成するため、請求項４記載の
発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前
記冷却停止条件は、運転停止処理の開始時の前記冷却水
温度検出手段の検出結果に基づいて算出される冷却時間
が経過したこと、を要旨とする。

【００１３】上記目的を達成するため、請求項５記載の
発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の
燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体に供給さ
れる燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの圧力を検出す
るガス圧力検出手段と、前記冷却水の圧力を検出する冷
却水圧力検出手段と、前記燃料電池本体の燃料極及び酸
化剤極の各々のガス排出部にガス圧力を調整する圧力調
整バルブと、を備えたことを要旨とする。

【００１４】上記目的を達成するため、請求項６記載の
発明は、請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前
記ガス圧力検出手段による圧力検出結果と、前記冷却水
圧力検出手段による圧力検出結果と、に基づいて、前記
冷却水の圧力が、前記燃料電池本体に供給されるガス圧
力と同等、もしくは、低くなるように前記冷却水ポンプ
を制御することを要旨とする。

【００１５】上記目的を達成するため、請求項７記載の
発明は、請求項５または請求項６記載の燃料電池システ
ムにおいて、前記ガス圧力検出手段による圧力検出結果
と、前記冷却水圧力検出手段による圧力検出結果と、に
基づいて、前記燃料電池本体に供給される各々のガス圧
力を、前記冷却水の圧力と同等、もしくは、高くなるよ
うに、前記圧力調整バルブを制御することを要旨とす
る。

【００１６】上記目的を達成するため、請求項８記載の
発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の
燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムが緊
急停止した場合にも、前記制御手段は、前記冷却停止条
件が満足されるまで、前記冷却水ポンプ及び前記冷却フ
ァンを駆動するように構成したことを要旨とする。

【００１７】上記目的を達成するため、請求項９記載の
発明は、請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の
燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記冷却
停止条件が満足されない場合、予め設定した最大停止時
間が経過すると前記冷却水ポンプ及び前記冷却ファンを
停止することを要旨とする。

【００１８】上記目的を達成するため、請求項１０記載
の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載
の燃料電池システムを駆動用電源として搭載したことを
要旨とする燃料電池自動車である。

【００１９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、燃料極と酸化
剤極とが対設され冷却水で冷却される燃料電池本体と、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記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、前記冷却水の熱を燃料電池システムの外部へ放出
する空冷式の熱交換器と、前記燃料電池本体と前記熱交
換器との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記
冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、前記熱
交換器に外気を導く冷却ファンと、を備えた燃料電池シ
ステムにおいて、燃料電池システムを停止する時、前記
冷却水温度検出手段の検出結果に基づく冷却停止条件が
成立した場合に、前記冷却水ポンプ及び前記冷却ファン
を停止する制御手段を備えたことにより、燃料電池シス
テムを停止させる時に、冷却水からの放熱を継続して冷
却水経路内の圧力を大気圧近傍まで速やかに下げ、燃料
電池のガス経路内の圧力と冷却水経路内の圧力との差を
小さくすることが可能となり、燃料電池内部で起こりう
る水漏れなどを防止することができるという効果があ
る。

【００２０】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
の効果に加えて、外気の温度を検出する外気温度検出手
段を備え、前記冷却停止条件は、前記冷却水温度検出手
段の検出結果が所定値以下で、かつ、前記冷却水温度検
出手段の検出結果及び前記外気温度検出手段の検出結果
に基づいて算出されるパラメータ値が所定条件を満足す
るようにしたので、外気温の変動があっても余分な冷却
動作を継続することなく冷却水の温度を適度な温度まで
低下させて冷却停止させることができるという効果があ
る。

【００２１】請求項３の発明によれば、請求項２の発明
の効果に加えて、前記冷却水温度検出手段は、前記熱交
換器の入口における冷却水温度を検出する第１の冷却水
温度検出手段と、前記熱交換器の出口における冷却水温
度を検出する第２の冷却水温度検出手段からなり、前記
冷却停止条件は、前記第２の冷却水温度検出手段の検出
結果が所定値以下で、かつ、前記第１または第２の冷却
水温度検出手段の検出結果と、前記第１及び第２の冷却
水温度検出手段の検出結果の差と、前記外気温度検出手
段の検出結果と、に基づいて算出されるパラメータ値が
所定条件を満足するようにしたので、冷却水を冷却する
熱交換器の性能に製造上のばらつきや経年変化があって
も、熱交換器の入口と出口の温度差を用いたパラメータ
値により、常に正確な冷却停止条件を算出することがで
きるという効果がある。

【００２２】請求項４の発明によれば、請求項１の発明
の効果に加えて、前記冷却停止条件は、運転停止処理の
開始時の前記冷却水温度検出手段の検出結果に基づいて
算出される冷却時間が経過したこととしたので、制御手
段による冷却停止処理の内容を簡易化できるという効果
がある。

【００２３】請求項５の発明によれば、請求項１ないし
請求項４の発明の効果に加えて、前記燃料電池本体に供
給される燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの圧力を検
出するガス圧力検出手段と、前記冷却水の圧力を検出す
る冷却水圧力検出手段と、前記燃料電池本体の燃料極及
び酸化剤極の各々のガス排出部にガス圧力を調整する圧
力調整バルブと、を備えたことにより、燃料電池本体を
冷却する冷却水の圧力と、燃料電池本体に供給されるガ
ス圧力の差を制御することができるという効果がある。

【００２４】請求項６の発明によれば、請求項５の発明
の効果に加えて、前記ガス圧力検出手段による圧力検出
結果と、前記冷却水圧力検出手段による圧力検出結果
と、に基づいて、前記冷却水の圧力が、前記燃料電池本
体に供給されるガス圧力と同等、もしくは、低くなるよ
うに前記冷却水ポンプを制御するようにしたので、ガス
圧力と冷却水圧力との圧力差をほぼ零にするか又はガス
圧力を高くすることができ、燃料電池内部で起こりうる
水漏れなどを防止できるという効果がある。

【００２５】請求項７の発明によれば、請求項５または
請求項６の発明の効果に加えて、前記ガス圧力検出手段
による圧力検出結果と、前記冷却水圧力検出手段による
圧力検出結果と、に基づいて、前記燃料電池本体に供給
される各々のガス圧力を、前記冷却水の圧力と同等、も
しくは、高くなるように、前記圧力調整バルブを制御す
るようにしたので、運転負荷が変化した場合にもガス圧
力と冷却水圧力との圧力差をほぼ零にするか又はガス圧
力を高くすることができ、燃料電池内部で起こりうる水
漏れなどを防止できるという効果がある。

【００２６】請求項８の発明によれば、請求項１ないし
請求項７の発明の効果に加えて、前記燃料電池システム
が緊急停止した場合にも、前記制御手段は、前記冷却停
止条件が満足されるまで、前記冷却水ポンプ及び前記冷
却ファンを駆動するように構成したので、緊急停止時の
安全性をより高めることができるという効果がある。

【００２７】請求項９の発明によれば、請求項１ないし
請求項８の発明の効果に加えて、前記制御手段は、前記
冷却停止条件が満足されない場合、予め設定した最大停
止時間が経過すると前記冷却水ポンプ及び前記冷却ファ
ンを停止するようにしたので、外気温が非常に高くなっ
て、冷却停止条件が実現されない場合にも、燃料電池シ
ステムを停止することが可能となり、また前記温度検出
手段が故障した場合にも安全に燃料電池システムを停止
することが可能となるという効果がある。

【００２８】請求項１０の発明によれば、請求項１ない
し請求項９のいずれか１項記載の燃料電池システムを駆
動用電源として搭載したことにより、燃料電池の水漏れ
を防止して整備を容易にした燃料電池自動車を提供する
ことができるという効果がある。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃
料電池システムの構成を説明するシステム構成図であ
る。この燃料電池システムは、燃料ガスとして水素タン
クから供給される水素を使用し、酸化剤ガスとして空気
を使用するもので、燃料電池自動車用に構成されたもの
である。

【００３０】図１において、この燃料電池システムは、
固体高分子電解質型の燃料電池本体（燃料電池スタッ
ク）５を冷却する冷却系と、燃料電池本体５に水素、空
気をそれぞれ供給する水素系と空気系を有している。

【００３１】燃料電池の冷却系は、発熱要素としての燃
料電池本体５と、放熱用熱交換器としてのラジエータ１
と、ラジエータ１へ外気を送風する冷却ファン２と、冷
却水を循環させるための冷却水ポンプ４と、冷却水の補
充用および冷却水ラインに含まれる空気抜き用途として
の冷却水リザーブタンク３と、から構成されている。ま
た、冷却系のセンサとして、ラジエータ１の冷却水入口
および出口に温度をそれぞれ検出する冷却水温度センサ
１１，１２と、ラジエータ１を通過する空気の温度を検
出する外気温度センサ１３と、燃料電池本体５に流入す
る冷却水の圧力を検出する圧力センサ１４とが設けられ
ている。

【００３２】水素系は、図示しない水素タンクと、これ
から吐出された水素を調圧してエゼクタ７に供給する図
示しない調圧バルブと、エゼクタ７と、燃料電池本体５
の排出部に備えられている調圧バルブ９と、燃料電池本
体５の燃料極入口側に供給される水素ガスの圧力を検出
する圧力センサ１５と、を備えている。

【００３３】調圧された水素は、エゼクタ７を介して加
湿器８にて所定の露点まで加湿した状態で、燃料電池本
体５に供給する。また、燃料電池本体５の燃料極から排
出された未利用の水素は、エゼクタ７により循環させる
ことにより再利用するようになっている。

【００３４】また、空気系は、空気を圧縮する空気コン
プレッサ６と、空気を冷却する図示しない空気冷却器
と、図示しない異物フィルタと、燃料電池本体５の空気
極側排出部に備えられた調圧バルブ１０から構成されて
いる。この空気系は、空気コンプレッサ６で空気を圧縮
して圧力を高めた後、空気冷却器にて所定の温度まで冷
却し、さらに加湿器８にて所定の露点まで加湿した状態
で、燃料電池本体５の空気極に空気を供給する。なお、
空気系には、燃料電池本体５に供給される空気の圧力を
検出する圧力センサ１６が設けられている。

【００３５】制御装置１７は、図示していないその他補
機の制御を含め、温度センサ１１，１２，１３と、圧力
センサ１４，１５，１６と、からの検出値を読み込み、
冷却ファン２と、冷却水ポンプ４と、圧力調整バルブ
９，１０と、を制御するようになっている。

【００３６】燃料電池システムの運転状態では、冷却水
経路に設置されている冷却水リザーブタンク３内におい
て、冷却水温度の飽和蒸気圧まで冷却水が蒸発し、冷却
水経路内の圧力が大気圧よりも飽和水蒸気圧分だけ上昇
している。この運転状態の冷却水温を例えば、８０℃と
すると、図１１に示すように、冷却水経路内の圧力は大
気圧よりおよそ５８ｋＰａ程度高い状態である。ここで
は、冷却水リザーブタンク３の内部に密閉された空気の
容積に比べて、燃料電池動作時の冷却水体積の膨張分が
充分小さいものとしているが、この条件が成立しない場
合には、膨張した冷却水により密閉空気が圧縮されるの
で冷却水圧力は更に高まることが考えられる。このた
め、冷却水リザーブタンク３の容積にはある程度の余裕
を持つように設定されている。

【００３７】この状態で燃料電池の運転を停止すれば、
ガス供給系からのガス供給が停止してガス圧力が低下す
る一方、冷却水温度は直ちに低下しないために、冷却水
圧力はガス圧力に対して飽和水蒸気圧力分だけ高い状態
が継続する。この状態は、自然放熱によって冷却水温度
が低下するまで続くことになり、燃料電池本体５から水
漏れを起こすことがある。

【００３８】本発明においては、燃料電池の運転を停止
する際に、外気の温度近くまで、あるいは、４０℃程度
まで冷却水温度を速やかに降温させることにより、燃料
電池内部でのガス供給通路と冷却水経路との圧力差をほ
ぼ零にし、燃料電池本体からの水漏れを防止することが
できる。以下の説明では、この冷却水温度を降温させる
時間をクールダウン時間（ＴＭ）と呼ぶこととする。

【００３９】燃料電池システムが運転状態から停止する
際に、まず、２次電池を搭載している場合は、燃料電池
本体５の取り出し電流を零、あるいは、２次電池を搭載
していない場合は、補機類に必要な最低消費電力に相当
する電流となるように、供給する各々のガス流量および
圧力を制御装置１７で、図示していない調圧バルブと、
空気コンプレッサ６と、燃料電池からの排圧調整バルブ
９，１０によって制御する。その時、燃料電池本体５を
冷却するために循環している冷却水の圧力センサ１４の
検出値Ｐ１と、水素ガスの圧力センサ１５の検出値Ｐ
２，空気の圧力センサ１６の検出値Ｐ３をそれぞれ制御
装置１７にて読み込み、

【数１】 ΔＰa1＝Ｐ3−Ｐ1＞０およびΔＰh1＝Ｐ2−Ｐ1＞０ となるように、排圧調整バルブ９，１０と冷却水ポンプ
４を制御することが好ましい。この時、冷却水ポンプ４
の必要吐出圧に対して、冷却水ポンプ４の吐出流量が非
常に小さくなる場合は、制御装置１７によって制御可能
範囲までの流量および吐出圧力まで上昇させ、かつ、燃
料電池本体５に供給している供給ガスの圧力および流量
を制御する。

【００４０】図７は、制御装置１７が上記の圧力制御処
理を行う圧力制御ルーチンの例を示すフローチャートで
ある。

【００４１】図７において、まず圧力センサ１４、１
５、１６から冷却水圧力Ｐ１、水素圧力Ｐ２、空気圧力
Ｐ３をそれぞれ読み込み（Ｓ６０）、空気と冷却水との
圧力差ΔＰal＝Ｐ３−Ｐ１、水素と冷却水との圧力差Δ
Ｐhl＝Ｐ２−Ｐ１をそれぞれ算出する（Ｓ６２）。次い
で、空気と冷却水との圧力差ΔＰalが負か否かを判定し
（Ｓ６４）、判定がＮｏ、即ち圧力差が零または正のと
きは、Ｓ６８へ進む。

【００４２】Ｓ６４の判定でＹｅｓ、即ち圧力差が負で
あれば、空気圧力が冷却水圧力と同等、または空気圧力
の方が冷却水圧力より高まるように、空気調圧バルブ１
０の開度を調整する（Ｓ６６ａ）一方、水ポンプ４の吐
出圧力を調整して（Ｓ６６ｂ）、Ｓ６４へ戻る。Ｓ６６
ａの処理とＳ６６ｂの処理とは、いずれを先に行っても
よいし、両者を並列に処理してもよいし、差が小さい場
合、いずれか一方の処理だけでもよい。

【００４３】次いでＳ６８では、水素ガスと冷却水との
圧力差ΔＰhlが負か否かを判定し、判定がＮｏ、即ち圧
力差が零または正のときは、空気圧力及び水素ガス圧力
と冷却水圧力との調整を終了しリターンする。

【００４４】Ｓ６８の判定でＹｅｓ、即ち圧力差が負で
あれば、水素ガス圧力が冷却水圧力と同等、または水素
ガス圧力の方が冷却水圧力より高まるように、水素ガス
調圧バルブ９の開度を調整する（Ｓ７０ａ）一方、水ポ
ンプ４の吐出圧力を調整して（Ｓ７０ｂ）、Ｓ６８へ戻
る。Ｓ７０ａの処理とＳ７０ｂの処理は、いずれを先に
行ってもよいし、両者を並列に処理してもよいし、差が
小さい場合、いずれか一方の処理だけでもよい。

【００４５】図８は、燃料電池の発電を停止してから燃
料電池本体の冷却を続けた場合のラジエータの入口と出
口の温度差ΔＴ12の時間変化を示すものであり、横軸に
クールダウン時間（ＴＭ）の経過、縦軸に温度差ΔＴ12
をプロットしている。図８において、時間が経過するに
つれて、ラジエータの入口と出口の温度差ΔＴ12が小さ
くなるが、同一の温度差ΔＴ12で発電を停止しても、外
気温度Ｔ3が高い場合には、温度差ΔＴ12の低下の割合
は小さく、外気温度Ｔ3が低い場合には、温度差ΔＴ12
の低下の割合は大きくなる。

【００４６】また、図１０に示すように、発電停止時の
温度差ΔＴ12が大きい場合には、温度差ΔＴ12の低下の
割合は大きく、発電停止時の温度差ΔＴ12が小さい場合
には、温度差ΔＴ12の低下の割合は小さくなる。

【００４７】従って、外気温度が高い場合、または温度
差ΔＴ12が小さい場合には、冷却系内の冷却水温度が速
やかに降温しない。このような場合、冷却水温に基づく
冷却停止条件が満足されず延々と冷却が続けられること
を防止するため、あらかじめ定められた最大停止時間Ｔ
STを超えた場合は、冷却を打ち切って燃料電池システム
を停止させるようにする。

【００４８】燃料電池システムを搭載した自動車におい
て、２次電池を搭載せず、燃料電池システムのみで駆動
される自動車では、燃料電池システムの停止処理を行う
間にも補機に燃料電池から電力供給を継続する必要があ
り、燃料電池の発電を直ちに停止することができない。
この場合、燃料電池システムで最低限必要な各補機の総
和電力のみを燃料電池で発電するようにして、燃料電池
の冷却系の冷却水温度を大気温度近くまで、あるいは４
０℃程度まで降温した後に、燃料電池システムを停止さ
せる。

【００４９】次に、冷却水温度センサ１１、１２、及び
外気温度センサ１３の検出結果に基づく冷却停止条件の
成立まで、燃料電池本体５の冷却を継続するフローチャ
ートを説明する。

【００５０】図２は、本発明に係る燃料電池システムの
第１の実施形態における燃料電池システム停止処理の動
作を説明するフローチャートである。この第１実施形態
においては、冷却停止条件は、（１）クールダウン開始
からの経過時間（ＴＭ）が所定の最大停止時間ＴSTを超
えたとき、または（２）ラジエータ入口の冷却水温度
（Ｔ1）が所定の温度ＴL1以下、で且つ、Ｔ1と、ラジエ
ータ入口と出口との温度差ΔＴ12と、外気温度（Ｔ3）
とに基づいて算出されるパラメータＦ1が所定値（Ａt
h）以下となったとき、としている。

【００５１】図２において、まず、２次電池で駆動され
ない補機が必要とする電力を除いて、燃料電池の発電を
停止し（Ｓ１０）、クールダウン時間（ＴＭ）の計測を
開始する（Ｓ１２）。次いで、ラジエータ入口の冷却水
温度センサ１１の検出値Ｔ１、ラジエータ出口の冷却水
温度センサ１２の検出値Ｔ２を読み込み、外気温度セン
サ１３の検出値Ｔ３を読み込み（Ｓ１４）、ラジエータ
入口と出口の温度差ΔＴ12＝Ｔ1−Ｔ2を算出する（Ｓ１
６）。次いで、Ｔ1，ΔＴ12，Ｔ3に基づいて、パラメー
タＦ1＝ｆ1（Ｔ1，ΔＴ12，Ｔ3）を算出する（Ｓ１
８）。パラメータＦ1の算出には、所定の計算式を用い
てもよいし、図９に示すような予め記憶したマップテー
ブル（ΔＴ12の値別に用意されたもの）を参照してもよ
い。

【００５２】次いで、ＴＭが最大停止時間ＴST以上か否
かを判定し（Ｓ２０）、Ｙｅｓであれば、最大停止時間
が到来したので冷却を停止すべくＳ３０へ移る。Ｓ２０
の判定でＮｏであれば、Ｔ1が所定値ＴL1を超えている
か否かを判定し（Ｓ２２）、超えていれば冷却を続ける
ためにＳ１４へ移る。超えていなければ、Ｆ1が所定値
Ａthを超えているか否かを判定する（Ｓ２４）。Ｓ２４
の判定で、Ｆ1がＡthを超えていれば冷却を続けるため
にＳ１４へ移る。Ｓ２４の判定で、Ｆ1がＡth以下であ
れば、冷却停止条件が満足されたので、Ｓ３０へ移っ
て、冷却水ポンプ及びラジエータファンを停止し、２次
電池で駆動されない補機が必要とする電力の発電も停止
して、停止処理を終了する。

【００５３】本実施形態においては、冷却停止条件に用
いるパラメータＦ1をラジエータ入口の冷却水温度セン
サ１１の検出値Ｔ１、ラジエータ入口と出口の温度差Δ
Ｔ12、及び外気温度センサ１３の検出値Ｔ３に基づいて
算出しているため、ラジエータの冷却水通路の内部に水
垢等が堆積して放熱能力が低下した場合でも、正確な冷
却停止条件を判定することができる。

【００５４】図３は、本発明に係る燃料電池システムの
第２の実施形態における燃料電池システム停止処理の動
作を説明するフローチャートである。この第２実施形態
においては、冷却停止条件は、（１）クールダウン開始
からの経過時間（ＴＭ）が所定の最大停止時間ＴSTを超
えたとき、または（２）ラジエータ入口の冷却水温度
（Ｔ1）が所定の温度ＴL1以下、で且つ、Ｔ1と外気温度
（Ｔ3）とに基づいて算出されるパラメータＦ2が所定値
（Ａth）以下となったとき、としている。

【００５５】図３において、まず、２次電池で駆動され
ない補機が必要とする電力を除いて、燃料電池の発電を
停止し（Ｓ１０）、クールダウン時間（ＴＭ）の計測を
開始する（Ｓ１２）。次いで、ラジエータ入口の冷却水
温度センサ１１の検出値Ｔ１及び外気温度センサ１３の
検出値Ｔ３を読み込み（Ｓ１３）、Ｔ1，Ｔ3に基づい
て、パラメータＦ2＝ｆ2（Ｔ1，Ｔ3）を算出する（Ｓ１
９）。パラメータＦ2の算出には、所定の計算式を用い
てもよいし、図９に示すような予め記憶したマップテー
ブルを参照してもよい。

【００５６】次いで、ＴＭが最大停止時間ＴST以上か否
かを判定し（Ｓ２０）、Ｙｅｓであれば、最大停止時間
が到来したので冷却を停止すべくＳ３０へ移る。Ｓ２０
の判定でＮｏであれば、Ｔ1が所定値ＴL1を超えている
か否かを判定し（Ｓ２２）、超えていれば冷却を続ける
ためにＳ１３へ移る。超えていなければ、Ｆ2が所定値
Ａthを超えているか否かを判定する（Ｓ２５）。Ｓ２５
の判定で、Ｆ2がＡthを超えていれば冷却を続けるため
にＳ１３へ移る。Ｓ２５の判定で、Ｆ2がＡth以下であ
れば、冷却停止条件が満足されたので、Ｓ３０へ移っ
て、冷却水ポンプ及びラジエータファンを停止し、２次
電池で駆動されない補機が必要とする電力の発電も停止
して、停止処理を終了する。

【００５７】本実施形態においては、冷却停止条件に用
いるパラメータＦ2をラジエータ入口の冷却水温度セン
サ１１の検出値Ｔ１、外気温度センサ１３の検出値Ｔ３
に基づいて算出しているため、ラジエータ出口の冷却水
温度センサ１２を省略することができる。

【００５８】図４は、本発明に係る燃料電池システムの
第３の実施形態における燃料電池システム停止処理の動
作を説明するフローチャートである。この第３実施形態
においては、冷却停止条件は、（１）クールダウン開始
からの経過時間（ＴＭ）が所定の最大停止時間ＴSTを超
えたとき、または（２）ラジエータ入口の冷却水温度
（Ｔ1）が所定の温度ＴL1以下、で且つ、Ｔ1と外気温度
（Ｔ3）とに基づいて算出されるパラメータΔＴ13＝Ｔ
１−Ｔ３が所定値Ｂth以下となったとき、としている。
このパラメータΔＴ13は、ラジエータ入口の冷却水温度
センサ１１の検出値Ｔ１及び外気温度センサ１３の検出
値Ｔ３に基づいて算出する第２実施形態のパラメータＦ
2の特殊な場合とも言える。

【００５９】図４において、まず、２次電池で駆動され
ない補機が必要とする電力を除いて、燃料電池の発電を
停止し（Ｓ１０）、クールダウン時間（ＴＭ）の計測を
開始する（Ｓ１２）。次いで、ラジエータ入口の冷却水
温度センサ１１の検出値Ｔ１及び外気温度センサ１３の
検出値Ｔ３を読み込み（Ｓ１３）、Ｔ1，Ｔ3に基づい
て、パラメータΔＴ13＝Ｔ１−Ｔ３を算出する（Ｓ１
７）。

【００６０】次いで、ＴＭが最大停止時間ＴST以上か否
かを判定し（Ｓ２０）、Ｙｅｓであれば、最大停止時間
が到来したので冷却を停止すべくＳ３０へ移る。Ｓ２０
の判定でＮｏであれば、Ｔ1が所定値ＴL1を超えている
か否かを判定し（Ｓ２２）、超えていれば冷却を続ける
ためにＳ１３へ移る。超えていなければ、ΔＴ13が所定
値Ｂthを超えているか否かを判定する（Ｓ２６）。Ｓ２
６の判定で、ΔＴ13がＢthを超えていれば冷却を続ける
ためにＳ１３へ移る。Ｓ２６の判定で、ΔＴ13がＢth以
下であれば、冷却停止条件が満足されたので、Ｓ３０へ
移って、冷却水ポンプ及びラジエータファンを停止し、
２次電池で駆動されない補機が必要とする電力の発電も
停止して、停止処理を終了する。

【００６１】図５は、本発明に係る燃料電池システムの
第４の実施形態における燃料電池システム停止処理の動
作を説明するフローチャートである。この第４実施形態
においては、冷却停止条件は、クールダウン開始からの
経過時間（ＴＭ）が停止処理開始時のラジエータ入口の
冷却水温度（Ｔ1）と外気温度（Ｔ3）とに基づいて算出
されるパラメータである冷却停止時間ＴSTを超えたと
き、としている。このパラメータＴSTは、第１ないし第
３実施形態のような所定値ではなく、停止処理開始時の
ラジエータ入口の冷却水温度センサ１１の検出値Ｔ１及
び外気温度センサ１３の検出値Ｔ３に基づいて算出する
パラメータである。

【００６２】図５において、まず、２次電池で駆動され
ない補機が必要とする電力を除いて、燃料電池の発電を
停止し（Ｓ１０）、クールダウン時間（ＴＭ）の計測を
開始する（Ｓ１２）。次いで、ラジエータ入口の冷却水
温度センサ１１の検出値Ｔ１及び外気温度センサ１３の
検出値Ｔ３を読み込み（Ｓ１３）、Ｔ1，Ｔ3に基づい
て、パラメータＴST＝ｆ3（Ｔ１，Ｔ３）を算出する
（Ｓ４０）。

【００６３】次いで、ＴＭが冷却停止時間ＴST以上か否
かを判定し（Ｓ４２）、Ｙｅｓであれば、冷却停止時間
が到来したので冷却を停止すべくＳ３０へ移る。Ｓ４２
の判定でＮｏであれば、単にＳ４２のセルフループで時
間経過を待つ。Ｓ３０では、冷却水ポンプ及びラジエー
タファンを停止し、２次電池で駆動されない補機が必要
とする電力の発電も停止して、停止処理を終了する。

【００６４】図６は、本発明に係る燃料電池システムの
第５の実施形態における燃料電池システム停止処理の動
作を説明するフローチャートである。この第５実施形態
においては、冷却停止条件は、ラジエータ入口の冷却水
温度（Ｔ1）が所定値ＴL2以下となったとき、としてい
る。即ち、ラジエータ入口の冷却水温度センサ１１の検
出値Ｔ１が所定値ＴL2まで降温すると冷却を停止するよ
うにしている。

【００６５】図６において、まず、２次電池で駆動され
ない補機が必要とする電力を除いて、燃料電池の発電を
停止し（Ｓ１０）、次いで、ラジエータ入口の冷却水温
度センサ１１の検出値Ｔ１を読み込み（Ｓ５０）、Ｔ1
がＴL2を超えているか否かを判定する（Ｓ５２）。Ｙｅ
ｓであれば、まだ冷却を続ける必要があるので、Ｓ５０
へ移る。Ｓ５２の判定でＮｏであれば、既に目的の温度
まで降温したので、Ｓ３０へ移り、冷却水ポンプ及びラ
ジエータファンを停止し、２次電池で駆動されない補機
が必要とする電力の発電も停止して、停止処理を終了す
る。

【００６６】本実施形態においては、外気温が高い場合
には、Ｔ1がＴL2まで低下しないことにより長時間冷却
を続けることがあるので、第１ないし第３実施形態のＴ
L1よりＴL2を高く設定し、当該車両が使用される外気温
度範囲では、遅くとも１０分程度で冷却停止条件が満足
されるようにＴL2を選択する必要がある。

【００６７】次に上記の各実施形態の変形例として、燃
料電池を停止させる際に、一時的に冷却系の冷却能力を
高めて、燃料電池本体５の冷却水温度を急速に低下させ
ることもできる。即ち、燃料電池本体５に供給する各々
のガス圧力を上昇させ、燃料電池本体５の冷却に必要な
冷却水の供給圧力を上昇させ、さらに、冷却水ポンプ４
の循環流量も上昇させる。そして、冷却ファン２の回転
数も上昇させて、ラジエータ１の放熱量を上昇させ、で
きるだけ早く冷却水温を降温させる。ただし、冷却水ポ
ンプ４の圧力および流量と、冷却ファン２の回転数を増
加させたために消費電力が増加し、各補機を動作させる
電力が不足する場合は、燃料電池の発電電力を消費電力
が増加した分だけ増加させて、冷却水温をできるだけ速
やかに降温する。また、冷却水温が降温した結果、燃料
電池本体５の取り出し電力が消費電力を上回るようにな
った場合は、燃料電池の取り出し電力を低減させること
によって、上記の実施形態に基づいて停止処理を行う。

【００６８】燃料電池システムが予期せぬ事態により緊
急停止する場合を考慮し、この様な事態においても、制
御装置１７、冷却水ポンプ４、冷却ファン２は、制御で
きるように構成している。この場合、燃料電池本体５に
供給されるガスの制御は停止しているため、冷却水ポン
プ４により冷却水を循環させると、燃料電池内部で供給
ガス圧より冷却水の供給圧力の方が高くなる。このた
め、冷却水の循環流量および供給圧力を制御装置１７に
て制御できる最低吐出圧力にて冷却水が循環できるよう
に冷却水ポンプ４を制御し、冷却ファン２を作動させて
できるだけ早く、冷却水の降温を試みる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成を説明す
るシステム構成図である。

【図２】第１実施形態における燃料電池停止時の処理を
説明するフローチャートである。

【図３】第２実施形態における燃料電池停止時の処理を
説明するフローチャートである。

【図４】第３実施形態における燃料電池停止時の処理を
説明するフローチャートである。

【図５】第４実施形態における燃料電池停止時の処理を
説明するフローチャートである。

【図６】第５実施形態における燃料電池停止時の処理を
説明するフローチャートである。

【図７】燃料電池停止時の圧力制御ルーチンを説明する
フローチャートである。

【図８】燃料電池停止時の熱交換器入口と出口の冷却水
温度差の時間変化を示すグラフである。

【図９】冷却停止条件のマップの例を説明する図であ
る。

【図１０】（ａ）熱交換器入口と出口の冷却水温度差
（ΔＴ12）が大の時の冷却停止と、（ｂ）熱交換器入口
と出口の冷却水温度差（ΔＴ12）が小の時の冷却停止と
の相違を示すグラフである。

【図１１】燃料電池の運転温度範囲における飽和水蒸気
圧を示すグラフである。

【符号の説明】 １ ラジエータ ２ 冷却ファン ３ 冷却水リザーブタンク ４ 冷却水ポンプ ５ 燃料電池本体 ６ 空気コンプレッサ ７ エゼクタ ８ 加湿器 ９ 調圧バルブ １０ 調圧バルブ １１ 冷却水温度センサ １２ 冷却水温度センサ １３ 外気温度センサ １４ 圧力センサ １５ 圧力センサ １６ 圧力センサ １７ 制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者 伊藤 泰之 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3D035 AA00 AA03 5H026 AA06 5H027 AA06 CC06 KK02 KK05 KK08 KK41 KK48 MM01 MM16 5H115 PA08 PC06 PG04 PI18 PI29 PI30 PU01 SE06 TI10 TO05 TO30

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料極と酸化剤極とが対設され冷却水で
   冷却される燃料電池本体と、 前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、 前記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、 前記冷却水の熱を燃料電池システムの外部へ放出する空
   冷式の熱交換器と、 前記燃料電池本体と前記熱交換器との間で冷却水を循環
   させる冷却水ポンプと、 前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、 前記熱交換器に外気を導く冷却ファンと、を備えた燃料
   電池システムにおいて、 燃料電池システムを停止する時、前記冷却水温度検出手
   段の検出結果に基づく冷却停止条件が成立した場合に、
   前記冷却水ポンプ及び前記冷却ファンを停止する制御手
   段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 外気の温度を検出する外気温度検出手段
   を備え、 前記冷却停止条件は、前記冷却水温度検出手段の検出結
   果が所定値以下で、かつ、前記冷却水温度検出手段の検
   出結果及び前記外気温度検出手段の検出結果に基づいて
   算出されるパラメータ値が所定条件を満足すること、 を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 前記冷却水温度検出手段は、前記熱交換
   器の入口における冷却水温度を検出する第１の冷却水温
   度検出手段と、前記熱交換器の出口における冷却水温度
   を検出する第２の冷却水温度検出手段からなり、 前記冷却停止条件は、前記第２の冷却水温度検出手段の
   検出結果が所定値以下で、かつ、前記第１または第２の
   冷却水温度検出手段の検出結果と、前記第１及び第２の
   冷却水温度検出手段の検出結果の差と、前記外気温度検
   出手段の検出結果と、に基づいて算出されるパラメータ
   値が所定条件を満足すること、を特徴とする請求項２記
   載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記冷却停止条件は、運転停止処理の開
   始時の前記冷却水温度検出手段の検出結果に基づいて算
   出される冷却時間が経過したこと、を特徴とする請求項
   １記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記燃料電池本体に供給される燃料ガス
   及び酸化剤ガスのそれぞれの圧力を検出するガス圧力検
   出手段と、 前記冷却水の圧力を検出する冷却水圧力検出手段と、 前記燃料電池本体の燃料極及び酸化剤極の各々のガス排
   出部にガス圧力を調整する圧力調整バルブと、を備えた
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１
   項記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 前記ガス圧力検出手段による圧力検出結
   果と、前記冷却水圧力検出手段による圧力検出結果と、
   に基づいて、 前記冷却水の圧力が、前記燃料電池本体に供給されるガ
   ス圧力と同等、もしくは、低くなるように前記冷却水ポ
   ンプを制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電
   池システム。
7. 【請求項７】 前記ガス圧力検出手段による圧力検出結
   果と、前記冷却水圧力検出手段による圧力検出結果と、
   に基づいて、 前記燃料電池本体に供給される各々のガス圧力を、前記
   冷却水の圧力と同等、もしくは、高くなるように、前記
   圧力調整バルブを制御することを特徴とする請求項５ま
   たは請求項６記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】 前記燃料電池システムが緊急停止した場
   合にも、前記制御手段は、前記冷却停止条件が満足され
   るまで、前記冷却水ポンプ及び前記冷却ファンを駆動す
   るように構成したことを特徴とする請求項１ないし請求
   項７のいずれか１項記載の燃料電池システム。
9. 【請求項９】 前記制御手段は、前記冷却停止条件が満
   足されない場合、予め設定した最大停止時間が経過する
   と前記冷却水ポンプ及び前記冷却ファンを停止すること
   を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項記
   載の燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし請求項９のいずれか１
    項記載の燃料電池システムを駆動用電源として搭載した
    ことを特徴とする燃料電池自動車。