JP2006172962A - 燃料電池冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ラジエータや配管の変形、劣化を防止することができる燃料電池冷却システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池冷却システム１は、燃料電池１０と、冷却液を冷却するラジエータ２０と、燃料電池１０及びラジエータ２０の間で冷却液を循環させる冷却液循環配管３０と、冷却液循環配管３０から冷却液を導入し、ラジエータ２０をバイパスして冷却液を再度冷却液循環配管３０に戻すバイパス配管５０と、ラジエータ２０とバイパス配管５０とに流す冷却液の量を制御する制御装置６０とを備えている。さらに、燃料電池冷却システム１は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度を測定又は推定するラジエータ側温度センサ８０を備え、制御装置６０は、ラジエータ側温度センサ８０により検出された温度が第１温度を下回った場合、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池冷却システムに関する。

従来、燃料電池と、冷却液を冷却するラジエータと、燃料電池及びラジエータの間で冷却液を循環させる冷却液循環配管とを備え、冷却液を循環させることで燃料電池を冷却する燃料電池冷却システムが知られている。また、このシステムは、ラジエータをバイパスするバイパス配管を備え、車両の暖機時には冷却液の多くをラジエータを介することなくバイパス配管を通して循環させることで、暖機時間の短縮化を図っている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−１５８２７９号公報

しかしながら、従来のシステムでは、車両の暖機時に冷却液の多くをバイパス配管を通して循環させるため、ラジエータに流れ込む冷却液は少量となり、過冷却される可能性がある。そして、従来のシステムでは、冷却液が過冷却された場合、これが凍結してしまい、ラジエータや配管を変形、劣化させる可能性が少なからずあった。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ラジエータや配管の変形、劣化を防止することができる燃料電池冷却システムを提供することにある。

本発明の燃料電池冷却システムは、燃料電池と、冷却液を冷却するラジエータと、燃料電池及びラジエータの間で冷却液を循環させる冷却液循環配管と、冷却液循環配管から冷却液を導入し、ラジエータをバイパスして冷却液を再度冷却液循環配管に戻すバイパス配管と、ラジエータとバイパス配管とに流す冷却液の量を制御する制御手段とを備えている。さらに、燃料電池冷却システムは、ラジエータに存在する冷却液の温度を測定又は推定するラジエータ温度検出手段を備え、制御手段は、ラジエータ温度検出手段により検出された温度が第１温度を下回った場合、ラジエータに流す冷却液の量を増加させる。

本発明によれば、ラジエータに流れる冷却液の温度が第１温度を下回った場合、ラジエータに流す冷却液の量を増加させることとしている。このため、暖機時には、ラジエータに流れこむ冷却液が少量となってラジエータの凍結などを引き起こす可能性が高まるが、ラジエータに流す冷却液の量が増加させるため、冷却液の過冷却が防止されることとなる。従って、ラジエータや配管の変形、劣化を防止することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略するものとする。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池冷却システム１は、燃料電池に冷却液を流して冷却し、該燃料電池から熱を奪って暖められた冷却液をラジエータにて冷却し、再び燃料電池の冷却液として燃料電池に流し込むものである。この燃料電池冷却システム１は、燃料電池１０、ラジエータ２０、冷却液循環配管３０、ポンプ４０、バイパス配管５０、制御装置（制御手段）６０、及び三方弁７０を備えている。

燃料電池１０は、燃料ガス（水素）が供給される燃料極と酸化剤ガス（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部配管を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

この燃料電池１０は、発電の際に発熱することから、耐久性を確保しながら効率の良い発電を行うために、適正な運転温度に維持される必要がある。このため、燃料電池１０は、冷却液を導入及び排出して、温度調整を行うようになっている。

なお、燃料電池１０には、該燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系や、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系、燃料電池１０を加湿するための加湿系等が接続されるが、図１ではこれらの図示を省略する。

ラジエータ２０は、冷却液を冷却するものである。また、冷却液循環配管３０は、燃料電池１０とラジエータ２０との間で冷却液を循環させる流路となるものである。さらに、ポンプ４０は、冷却液を循環させるためのものであり、冷却液循環配管３０に設けられている。このような構成であるため、冷却液は、ポンプ４０によって冷却液循環配管３０を通じて燃料電池１０及びラジエータ２０の間を循環させられることとなる。また、燃料電池１０にて暖められて排出された冷却液は、冷却液循環配管３０を通じてラジエータ２０に至り、ラジエータ２０にて冷却される。そして、ラジエータ２０にて冷却された冷却液は、再び冷却液循環配管３０を通じて燃料電池１０に至り、燃料電池１０を冷却することとなる。

バイパス配管５０は、冷却液循環配管３０のラジエータ上流側と下流側とに接続され、冷却液循環配管３０から冷却液を導入し、ラジエータ２０を迂回して、冷却液を再度冷却液循環配管３０に戻すものである。また、制御装置６０は、三方弁７０を駆動することにより、ラジエータ２０とバイパス配管５０とに流す冷却液の量を制御するものである。三方弁７０は、バイパス配管５０の一端側（冷却液導入側）に接続され、制御装置６０からの指示に応じて、ラジエータ２０に流す冷却液とバイパス配管５０を通してラジエータ２０を迂回させる冷却液との流量を調整することができるようになっている。なお、バイパス配管５０の他端側は、溶接等により冷却液循環配管３０に接続されている。また、制御装置６０は、ポンプ４０を制御するようにもされており、冷却液の流速を調整できるようになっている。

ここで、制御装置６０は、空調装置の暖機時などにおいて、三方弁７０を駆動することにより、バイパス配管５０に冷却液を多く流してラジエータ２０を迂回させる。これにより、多くの冷却液は、ラジエータ２０にて冷却されることなく、燃料電池１０にて暖められることとなる。そして、暖められた冷却液と空調装置側の冷却液とが熱交換器にて熱交換され、車室内が暖房されることとなる。

ところが、バイパス配管５０に流す冷却液の量が多くなると、ラジエータ２０に流れこむ冷却液が少量となって、ラジエータ２０の凍結などを引き起こす可能性が高まる。そこで、本実施形態では、以下の構成をさらに備えている。すなわち、燃料電池冷却システム１は、さらにラジエータ側温度センサ（ラジエータ温度検出手段）８０を備えている。

ラジエータ側温度センサ８０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度を測定するためにものであって、ラジエータ２０の下流側（バイパス配管５０と冷却液循環配管３０との接続点よりも上流側）に設置されている。また、ラジエータ側温度センサ８０は、制御装置６０に接続され、測定した温度信号を制御装置６０に送信するようになっている。

また、燃料電池冷却システム１は、燃料電池側温度センサ（燃料電池温度検出手段）９０を備えている。燃料電池側温度センサ９０は、燃料電池１０の内部温度を測定するためのものである。また、燃料電池側温度センサ９０は、燃料電池１０の上流側に設けられる上流側センサ９１と、燃料電池１０の下流側に設けられる下流側センサ９２とからなっている。これらセンサ９１，９２は、制御装置６０に接続され、測定した温度信号を制御装置６０に送信するようになっている。

また、燃料電池冷却システム１は、冷却液を貯留又は気液分離するタンク、及びポンプの吐出圧力を検出する圧力検出器などが設けられているが、図示を省略する。

次に、第１実施形態に係る燃料電池冷却システム１の動作の概略を説明する。まず、燃料電池冷却システム１は、燃料電池側温度センサ９０からの信号を読み込んで、燃料電池１０の内部温度を監視する。そして、燃料電池１０の内部温度が目標運転温度を上回る場合、制御装置６０は、三方弁７０を駆動して、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させる。一方、燃料電池１０の内部温度が目標運転温度を下回る場合、制御装置６０は、三方弁７０を駆動して、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させる。これにより、燃料電池冷却システム１では、燃料電池１０の内部温度を調節している。以下、この制御を「通常制御」と称する。

また、暖機時などにおいて、制御装置６０は、三方弁７０を駆動し、バイパス配管５０に冷却液を多く流す。これにより、多くの冷却液は、ラジエータ２０を迂回することとなり、ラジエータ２０にて冷却されることなく、燃料電池１０にて暖められることとなる。

また、制御装置６０は、ラジエータ側温度センサ８０からの信号を読み込んで、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度を監視する。そして、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度が第１温度を下回ったとする。このとき、制御装置６０は、三方弁７０を駆動して、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させる。すなわち、上記の暖機時などには、バイパス配管５０に流す冷却液の量が多くなる一方で、ラジエータ２０に流れこむ冷却液が少量となる。この結果、ラジエータ２０の冷却液が過冷却されてラジエータ２０の凍結などを引き起こす可能性が高まる。そこで、制御装置６０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度が第１温度を下回ると、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させ、冷却液の過冷却を防止することとしている。以下、この制御を「ラジエータ凍結防止制御」と称する。なお、上記第１温度とは、ラジエータ２０及びその周辺配管が凍結する可能性があるとして予め定められた温度である。

また、制御装置６０は、上記の如くラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、ラジエータ側温度センサ８０からの信号を読み込んで、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度を監視する。そして、制御装置６０は、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させてから所定時間経過した時点で、ラジエータ側温度センサ８０によって検出された温度が第３温度を超えていなかった場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させる。すなわち、制御装置６０は、ラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止しようとラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させたにもかかわらず、ラジエータ２０の温度があまり上昇せずに凍結防止効果が得られないときには、その制御を中止することとなる。このため、本システム１は、凍結防止効果が得られないにもかかわらず、ラジエータ２０に多くの冷却液を流入させ、燃料電池１０の温度を無意味に低下させてしまうことが防止される。

より詳しく説明すると、凍結防止効果が得られない状態とは、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度があまり上昇しない状態といえる。そして、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度があまり上昇しないということは、冷却液が冷えた状態であるといえる。このため、多くの冷却液をラジエータ２０に流したにもかかわらず、凍結防止効果が得られないことは、多くの冷却液が冷えたまま燃料電池１０に流入することとなり、結果として燃料電池１０の内部温度を低下させることとなる。そして、燃料電池１０は、内部温度が低下すると発電機能を維持できなくことがあり得る。本システム１は、これを防止することができる。以下、この制御を「復帰制御」と称する。なお、上記第３温度とは、第１温度よりも高い温度であることは言うまでもない。

また、制御装置６０は、燃料電池側温度センサ９０からの信号を読み込んで、燃料電池１０の内部温度を監視する。そして、燃料電池１０の内部温度が第２温度を下回ったとする。このとき、制御装置６０は、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させていた場合、三方弁７０を駆動して、バイパス配管５０に流れる冷却液の量を増加させる。すなわち、燃料電池冷却システム１では、ラジエータ２０やその周辺配管の凍結防止のためにラジエータ２０に冷却液を多く流すと、その一方で、燃料電池１０の温度が低下して発電機能を維持できなくなる可能性がある。ところが、燃料電池１０の内部温度が第２温度を下回った場合、バイパス配管に流す冷却液の量を増加させるため、低下した燃料電池１０の温度をもとの温度に戻すこととなる。これにより、本システム１は、発電機能の低下を防止することとしている。以下、この制御を「燃料電池温度低下防止制御」と称する。なお、第２温度は、燃料電池１０の発電機能が保持できるように予め定められた温度である。

次に、第１実施形態に係る燃料電池冷却システム１の詳細な動作を説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池冷却システム１の詳細な動作を示すフローチャートである。なお、図２に示す処理は、燃料電池側温度センサ９０からの信号により燃料電池１０の温度が目標運転温度となるように制御する処理から、一定時間（例えば０．０５ｓｅｃ）ごとに呼び出されるサブルーチンとして実行される。

まず、図２に示すように、制御装置６０は、燃料電池側温度センサ９０からの信号を読み込んで、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回るか否かを判断する（ＳＴ１）。また、制御装置６０は、変数ｍが「３」であるか否かを判断する（ＳＴ１）。ここで、変数ｍとは、制御モードを示す数値であって「１」である場合には通常制御が行われ、「２」である場合にはラジエータ凍結防止制御が行われ、「３」である場合には燃料電池温度低下防止制御が行われる。

燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回る場合、及び制御モードを示す変数ｍが「３」である場合の少なくとも一方に該当するとき（ＳＴ１：ＹＥＳ）、制御装置６０は、制御モードを示す変数ｍに「３」を代入する（ＳＴ２）。次いで、制御装置６０は、燃料電池１０の内部温度ｔｂが温度ｔ２’未満であるか否かを判断する（ＳＴ３）。ここで、燃料電池１０の内部温度ｔｂが温度ｔ２’未満である場合（ＳＴ３：ＹＥＳ）、制御装置６０は、三方弁開度を示す値ｄを「ｄ０」とする（ＳＴ４）。これにより、三方弁７０は、バイパス配管５０に流す冷却液の量が多くなるように駆動されることとなる。そして、処理はメインフローチャートに戻る。

一方、燃料電池１０の内部温度ｔｂが温度ｔ２’未満でない場合（ＳＴ３：ＮＯ）、制御装置６０は、燃料電池１０の内部温度が第２温度ｔ２を下回っているものの或る程度高い温度となっていると判断する。このため、制御装置６０は、燃料電池温度低下防止制御を行わず、処理をステップＳＴ５に進める。

ステップＳＴ５において、制御装置６０は、ラジエータ側温度センサ８０からの信号を読み込んで、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回るか否かを判断する（ＳＴ５）。ここで、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回ると判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、制御装置６０は、変数ｍに「２」を代入する（ＳＴ６）。そして、処理はメインフローチャートに戻る。これにより、後の処理で、ラジエータ凍結防止制御が行われることとなる。

他方、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回らないと判断した場合（ＳＴ５：ＮＯ）、制御装置６０は、変数ｍに「１」を代入する（ＳＴ７）。そして、処理はメインフローチャートに戻る。これにより、処理は通常制御に戻ることとなる。

ところで、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回らず、且つ制御モードを示す変数ｍが「３」でない場合（ＳＴ１：ＮＯ）、制御装置６０は、ラジエータ側温度センサ８０からの信号を読み込んで、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回るか否かを判断する（ＳＴ８）。また、制御装置６０は、変数ｍが「２」であるか否かを判断する（ＳＴ８）。

ここで、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回らず、且つ制御モードを示す変数ｍが「２」でない場合（ＳＴ８：ＮＯ）、制御装置６０は、変数ｍに「１」を代入し、変数Ｔ１に「０」を代入する（ＳＴ９）。そして、処理はメインフローチャートに戻る。これにより、処理は通常制御に戻ることとなる。

一方、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回る場合、及び制御モードを示す変数ｍが「２」である場合の少なくとも一方に該当するとき（ＳＴ８：ＹＥＳ）、制御装置６０は、制御モードを示す変数ｍに「２」を代入する（ＳＴ１０）。

次いで、制御装置６０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが温度ｔ１’未満であるか否かを判断する（ＳＴ１１）。ここで、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが温度ｔ１’未満でない場合（ＳＴ１１：ＮＯ）、制御装置６０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回っているものの或る程度高い温度となっていると判断する。このため、制御装置６０は、ラジエータ凍結防止制御を行わず、変数ｍに「１」を代入し、変数Ｔ１に「０」を代入した後に（ＳＴ９）、処理をメインフローチャートに戻す。

また、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが温度ｔ１’未満である場合（ＳＴ１１：ＹＥＳ）、制御装置６０は、タイマ値Ｔ１をインクリメントする（ＳＴ１２）。そして、制御装置６０は、タイマ値Ｔ１が所定時間Ｔ１００未満であるか否かを判断する（ＳＴ１３）。

タイマ値Ｔ１が所定時間Ｔ１００未満であると判断した場合（ＳＴ１３：ＹＥＳ）、制御装置６０は、三方弁開度を示す値ｄを「ｄ１」とする（ＳＴ１４）。これにより、三方弁７０は、ラジエータ２０に流す冷却液の量が多くなるように駆動されることとなる。そして、処理はメインフローチャートに戻る。

一方、タイマ値Ｔ１が所定時間Ｔ１００未満でないと判断した場合（ＳＴ１３：ＮＯ）、すなわちタイマーがスタートしてから所定時間経過した場合、制御装置６０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第３温度ｔ３を超えているか否かを判断する（ＳＴ１５）。ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第３温度ｔ３を超えている場合（ＳＴ１５：ＹＥＳ）、制御装置６０は、ラジエータ凍結防止制御が有効に行われていると判断し、処理をステップＳＴ１４に進める。そして、制御装置６０は、三方弁開度を示す値ｄを「ｄ１」とし（ＳＴ１４）、処理はメインフローチャートに戻る。

また、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第３温度ｔ３を超えなかった場合（ＳＴ１５：ＮＯ）、制御装置６０は、ラジエータ凍結防止制御が有効に行われなかったと判断し、不要な制御を実行し続けないようにするべく、変数ｍに「１」を代入し、変数Ｔ１に「０」を代入し（ＳＴ９）、処理をメインフローチャートに戻す。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池冷却システム１によれば、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回った場合、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させることとしている。このため、暖機時には、ラジエータ２０に流れこむ冷却液が少量となってラジエータ２０の凍結などを引き起こす可能性が高まるが、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させるため、冷却液の過冷却が防止されることとなる。従って、ラジエータ２０や配管の変形、劣化を防止することができる。

また、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度を測定する少なくとも１つの温度センサを有するため、温度センサにてラジエータ２０の温度を測定することによりラジエータ２０の温度を確実に検出することができる。

また、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回った場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させることとしている。ここで、ラジエータ２０やその周辺配管の凍結防止のためにラジエータ２０に冷却液を多く流すと、その一方で、燃料電池１０の温度が低下して発電機能を維持できなくなる可能性がある。ところが、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回った場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させるため、低下した燃料電池１０の温度はもとの温度に復帰してくることとなり、発電機能の低下が防止されることとなる。従って、燃料電池１０の発電機能を維持しつつ、ラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止することができる。

また、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔ１が第３温度ｔ３を超えなかった場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させることとしている。すなわち、ラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止しようとラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させたにもかかわらず、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａがあまり上昇せず、凍結防止効果が得られないときには、その制御を中止することとなる。このため、凍結防止効果が得られないにもかかわらず、ラジエータ２０に多くの冷却液を流入させ、燃料電池１０の温度を無意味に低下させてしまうことが防止される。従って、燃料電池１０の内部温度の低下を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。

以下、第１実施形態との相違点について説明する。図３は、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２の構成図である。同図に示すように、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２は、制御装置６０が新たに燃料電池１０のセル電圧を測定するセル電圧検出部（セル電圧検出手段）６１を備えている。また、セル電圧検出部６１は、燃料電池１０のセル電圧を常時監視し、一定期間分のセル電圧の値を記憶するものである。

また、セル電圧検出部６１を備えるため、制御装置６０は、セル電圧検出部６１からの検出結果に従って三方弁７０を駆動するようになっている。具体的に制御装置６０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回ったことによりラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、セル電圧検出部６１によって検出されたセル電圧の偏差が特定値以上となるか否かを判断する。ここで、偏差とは例えば標準偏差、記憶したセル電圧の最大値と最小値との差、又はセル電圧の値の平均値と最小値との差などが該当するが、これに限るものではない。なお、以下の説明において、偏差を標準偏差として説明する。

このような燃料電池冷却システム２では、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた場合、上記した如く、燃料電池の温度が低下してセル電圧が低下し、発電機能を維持できなくなる可能性がある。また、セル電圧の標準偏差が特定値以上となる場合、セル電圧がばらついているといえる。すなわち、セル電圧が低下したことによりバラツキが大きくなったと考えられる。

このため、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、セル電圧の標準偏差が特定値以上となる場合、燃料電池１０の内部温度ｔｂが低下して発電機能を維持できなくなっているといえる。よって、制御装置６０は、セル電圧の標準偏差が特定値以上となる場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させる。以下、この制御を「燃料電池出力低下防止制御」と称する。

図４は、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２の詳細な動作を示すフローチャートである。なお、図４に示す処理は、図２に示す処理と同様に、燃料電池側温度センサ９０からの信号により燃料電池１０の温度が目標運転温度となるように制御する処理から、一定時間（例えば０．０５ｓｅｃ）ごとに呼び出されるサブルーチンとして実行される。また、第２実施形態において変数ｍが「３」である場合には燃料電池温度低下防止制御及び燃料電池出力低下防止制御が行われることとなる。

同図に示すように、まず、制御装置６０は、燃料電池側温度センサ９０からの信号を読み込んで、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回るか否か、及びセル電圧検出部６１にて検出されたセル電圧の偏差Ｖが特定値Ｖｔｈ以上であるか否か判断する（ＳＴ２１）。さらに、制御装置６０は、変数ｍが「３」であるか否かを判断する（ＳＴ２１）。

ここで、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回り、且つ、セル電圧の偏差Ｖが特定値Ｖｔｈ以上である場合（ＳＴ２１：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ２２に進む。また、変数ｍが「３」である場合も同様に（ＳＴ２１：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ２２に進む。

ステップＳＴ２２において、制御装置６０は制御モードを示す変数ｍに「３」を代入する（ＳＴ２２）。次いで、制御装置６０は、燃料電池１０の内部温度ｔｂが温度ｔ２’未満であるか否か、及び、セル電圧の偏差Ｖが値Ｖｔｈ’を超えるか否か判断する（ＳＴ２３）。ここで、双方とも満たす場合（ＳＴ２３：ＹＥＳ）、制御装置６０は、三方弁開度を示す値ｄを「ｄ０」とする（ＳＴ２４）。これにより、三方弁７０は、バイパス配管５０に流す冷却液の量が多くなるように駆動されることとなる。これにより、燃料電池１０の内部温度ｔｂの低下が抑止される。そして、処理はメインフローチャートに戻る。

一方、燃料電池１０の内部温度ｔｂが温度ｔ２’未満であること、及び、セル電圧の偏差Ｖが値Ｖｔｈ’を超えることのうち、いずれか一方でも満たさない場合（ＳＴ２３：ＮＯ）、制御装置６０は、処理をステップＳＴ２５に進める。

その後、ステップＳＴ２５〜ＳＴ３５に示す処理において、図２に示すステップＳＴ５〜ＳＴ１５と同様の処理が行われることとなる。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池冷却システム２によれば、第１実施形態と同様に、ラジエータ２０や配管の変形、劣化を防止することができ、ラジエータ２０の温度を確実に検出することができる。また、燃料電池１０の発電機能を維持しつつ、ラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止することができ、燃料電池１０の内部温度の低下を抑制することができる。

さらに、第２実施形態によれば、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、セル電圧の偏差Ｖが特定値Ｖｔｈ以上となる場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させることとしている。ここで、ラジエータ２０やその周辺配管の凍結防止のためにラジエータ２０に冷却液を多く流すと、その一方で、燃料電池１０の温度が低下してセル電圧が低下し、発電機能を維持できなくなる可能性がある。ところが、セル電圧の偏差Ｖが特定値Ｖｔｈ以上となる場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させるため、一度低下した燃料電池１０の内部温度は高まっていくこととなり、さらにセル電圧についても高まっていくこととなる。この結果、発電機能の低下が防止されることとなる。従って、燃料電池の発電機能を維持しつつ、ラジエータ及びその周辺配管の凍結を防止することができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池冷却システム３は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。

以下、第１実施形態との相違点について説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料電池冷却システム３の構成図である。同図に示すように、第３実施形態に係る燃料電池冷却システム３は、制御装置６０が新たに、燃料電池１０の発電電圧を測定する発電電圧検出部（発電電圧検出手段）６２と、燃料電池１０からの負荷に供給される供給電流を測定する供給電流検出部（供給電流検出手段）６３とを備えている。

また、これら検出部６２，６３を備えるため、制御装置６０は、検出部６２，６３からの検出結果に従って三方弁７０を駆動するようになっている。具体的に制御装置６０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第１温度ｔ１を下回ったことによりラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、発電電圧検出部６２によって検出された発電電圧Ｖ１、及び供給電流検出部６３により検出された供給電流Ｉ１が、予め記憶する電圧Ｖ２及び電流Ｉ２の値よりも所定値以上小さくなった場合に、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させることとしている。

これにより、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させたことによって燃料電池１０の発電機能が低下したとしても、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させるため、発電機能の低下を抑止することができる。以下、この制御を「燃料電池出力低下防止制御２」と称する。

図６は、制御装置６０が予め記憶している電圧Ｖ２及び電流Ｉ２の値を示すグラフである。同図に示すように、燃料電池１０は一定のＩ−Ｖ特性を有している。そして、制御装置６０は、このＩ−Ｖ特性を記憶しており、Ｉ−Ｖ特性のマップの値（Ｖ２，Ｉ２）に基づいて燃料電池出力低下防止制御２を実行するか否かを判断することとなる。

具体的に燃料電池冷却システム３は以下のように動作する。まず、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させたとする。この場合、燃料電池１０の温度が低下し、燃料電池１０の出力も低下する。そして、検出された発電電圧及び供給電流が予め記憶する電圧Ｖ２及び電流Ｉ２の値よりも所定値以上小さくなったとすると、燃料電池出力低下防止制御２が開始され、バイパス配管５０に流される冷却液の量が増加することとなる。すなわち、制御装置６０は、検出された発電電圧及び供給電流が電圧Ｖｍ及び電流Ｉｍよりも小さくなったときに、燃料電池出力低下防止制御２を開始させることとなる。

その後、バイパス配管５０に流される冷却液の量が増加すると、燃料電池１０の内部温度ｔｂが高まることとなり、燃料電池１０の発電機能についても回復してくることとなる。そして、検出された発電電圧が電圧Ｖｍ’以上となり、供給電流が電流Ｉｍ’以上となるまで発電機能が回復すると、制御装置６０は、燃料電池出力低下防止制御２を解除することとなる。

図７は、第３実施形態に係る燃料電池冷却システム３の詳細な動作を示すフローチャートである。なお、図７に示す処理は、図２に示す処理と同様に、燃料電池側温度センサ９０からの信号により燃料電池１０の温度が目標運転温度となるように制御する処理から、一定時間（例えば０．０５ｓｅｃ）ごとに呼び出されるサブルーチンとして実行される。また、第３実施形態において変数ｍが「３」である場合には燃料電池温度低下防止制御及び燃料電池出力低下防止制御２が行われることとなる。

同図に示すように、まず、制御装置６０は、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回るか否か、及び発電電圧Ｖ１及び供給電流Ｉ１が、予め記憶する電圧Ｖ２及び電流Ｉ２の値よりも所定値以上小さくなった（すなわち図６に示す電圧Ｖｍ、電流Ｉｍより小さくなった）か否かを判断する（ＳＴ４１）。さらに、制御装置６０は、変数ｍが「３」であるか否かを判断する（ＳＴ４１）。

ここで、燃料電池１０の内部温度ｔｂが第２温度ｔ２を下回り、且つ、発電電圧Ｖ１及び供給電流Ｉ１が予め記憶する電圧Ｖ２及び電流Ｉ２の値よりも所定値以上小さくなった場合（ＳＴ４１：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ４２に進む。また、変数ｍが「３」である場合も同様に（ＳＴ４１：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ４２に進む。

ステップＳＴ４２において、制御装置６０は制御モードを示す変数ｍに「３」を代入する（ＳＴ４２）。次いで、制御装置６０は、燃料電池１０の内部温度ｔｂが温度ｔ２’未満であるか否か、及び、発電電圧Ｖ１及び供給電流Ｉ１が予め記憶する値Ｖｍ’，Ｉｍ’よりも小さいか否か判断する（ＳＴ４３）。ここで、双方とも満たす場合（ＳＴ４３：ＹＥＳ）、制御装置６０は、三方弁開度を示す値ｄを「ｄ０」とする（ＳＴ４４）。これにより、三方弁７０は、バイパス配管５０に流す冷却液の量が多くなるように駆動されることとなる。これにより、燃料電池１０の内部温度ｔｂの低下が抑止され、燃料電池１０の出力は大きくなる。そして、処理はメインフローチャートに戻る。

一方、燃料電池１０の内部温度ｔｂが温度ｔ２’未満であること、及び、発電電圧Ｖ１及び供給電流Ｉ１が予め記憶する値Ｖｍ’，Ｉｍ’よりも小さいことのうち、いずれか一方でも満たさない場合（ＳＴ４３：ＮＯ）、制御装置６０は、処理をステップＳＴ４５に進める。

その後、ステップＳＴ４５〜ＳＴ５５に示す処理において、図２に示すステップＳＴ５〜ＳＴ１５と同様の処理が行われることとなる。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池冷却システム３によれば、第１実施形態と同様に、ラジエータ２０や配管の変形、劣化を防止することができ、ラジエータ２０の温度を確実に検出することができる。また、燃料電池１０の発電機能を維持しつつ、ラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止することができ、燃料電池１０の内部温度の低下を抑制することができる。

さらに、第３実施形態によれば、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させた後に、燃料電池１０の発電電圧Ｖ１と供給電流Ｉ１とが予め記憶する電圧Ｖ２及び電流Ｉ２の値よりも所定値以上小さくなった場合（電圧Ｖｍ及び電流Ｉｍよりも小さくなった場合）、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させることとしている。ここで、ラジエータ２０やその周辺配管の凍結防止のためにラジエータ２０に冷却液を多く流すと、その一方で、燃料電池１０の内部温度ｔが低下して発電機能を維持できなくなる可能性がある。ところが、燃料電池１０の発電電圧Ｖ１と供給電流Ｉ１とが予め記憶する電圧Ｖ２及び電流Ｉ２の値よりも所定値以上小さくなった場合、バイパス配管５０に流す冷却液の量を増加させるため、燃料電池１０の温度の低下が解消されて、低下した発電電圧と供給電流とがもとの値へ復帰してくることとなる。この結果、発電機能の低下が防止されることとなる。従って、燃料電池１０の発電機能を維持しつつ、ラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止することができる。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池冷却システム４は、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が第１実施形態のものと一部異なっている。

以下、第１実施形態との相違点について説明する。図８は、第４実施形態に係る燃料電池冷却システム４の構成図である。同図に示すように、第４実施形態に係る燃料電池冷却システム４は、新たにヒートポンプを有する（空調手段）エアコン１００を備えている。

また、エアコン１００を備えるため、制御装置６０は、エアコン１００の動作状況に応じて、三方弁７０を駆動するようになっている。具体的に制御装置６０は、ラジエータ側温度センサ８０によって検出された温度ｔａが第４温度を下回り、且つエアコン１００が暖房動作をしていることを検出した場合、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させることとしている。ここで、第４温度は、第１温度よりも高い温度であって、エアコン１００が暖房動作を行うことによりラジエータ２０及びその周辺配管が凍結する可能性があるとして予め定められた温度である。

ここで、ヒートポンプタイプのエアコン１００は、外部から熱を奪い、内部を暖め、外部に冷気を放出することで、暖房を行うようになっている。このため、ヒートポンプタイプのエアコン１００は、外部に放出された冷気によってラジエータやその周辺配管の凍結を助長することとなる。よって、上記の如く、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第４温度を下回り、且つエアコン１００が暖房動作をしているときには、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させることとしている。これにより、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させてラジエータ２０に流れる冷却液の過冷却を防止し、ラジエータ２０や配管の変形、劣化を防止することとしている。以下、この制御を「ラジエータ凍結防止制御２」と称する。

図９は、第４実施形態に係る燃料電池冷却システム４の詳細な動作を示すフローチャートである。なお、図９に示す処理は、図２に示す処理と同様に、燃料電池側温度センサ９０からの信号により燃料電池１０の温度が目標運転温度となるように制御する処理から、一定時間（例えば０．０５ｓｅｃ）ごとに呼び出されるサブルーチンとして実行される。また、第４実施形態において変数ｍが「１」〜「４」まで存在し、変数ｍが「４」である場合、ラジエータ凍結防止制御２が行われることとなる。

まず、ステップＳＴ６１〜ＳＴ６７に示す処理において、図２に示すステップＳＴ１〜ＳＴ７と同様の処理が実行される。そして、ステップＳＴ６１において「ＮＯ」と判断された場合、制御装置６０は、変数ｍが「４」であるか否かを判断する（ＳＴ６８）。

変数ｍが「４」である場合（ＳＴ６８：ＹＥＳ）、制御装置６０は、三方弁開度を示す値ｄを「ｄ２」とする（ＳＴ６９）。これにより、三方弁７０は、ラジエータ２０に流す冷却液の量が多くなるように駆動されることとなる。そして、処理はメインフローチャートに戻る。

他方、変数ｍが「４」でない場合（ＳＴ６８：ＮＯ）、制御装置６０は、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第４温度ｔ４を下回り、且つエアコン１００が暖房動作をしているか否かを判断する（ＳＴ７０）。ここで、双方とも満たす場合（ＳＴ７０：いぇＳ）、制御装置６０は、制御モードを示す変数ｍに「４」を代入する（ＳＴ７１）。そして、処理はメインフローチャートに戻る。これにより、次回の処理において、ラジエータ凍結防止制御２が実行されることとなる。

また、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第４温度ｔ４を下回ること、及びエアコン１００が暖房動作をしていることのいずれか一方でも満たさない場合（Ｓ７０：ＮＯ）、処理はステップＳＴ７２に移行する。

その後、ステップＳＴ７２〜ＳＴ７９に示す処理において、図２に示すステップＳＴ８〜ＳＴ１５と同様の処理が行われることとなる。

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池冷却システム４によれば、第１実施形態と同様に、ラジエータ２０や配管の変形、劣化を防止することができ、ラジエータ２０の温度を確実に検出することができる。また、燃料電池１０の発電機能を維持しつつ、ラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止することができ、燃料電池１０の内部温度の低下を抑制することができる。

さらに、第４実施形態によれば、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第４温度ｔ４を下回り、且つヒートポンプタイプのエアコン１００により暖房が為されている場合、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させることとしている。ここで、ヒートポンプタイプのエアコン１００は、外部から熱を奪い、内部を暖め、外部に冷気を放出することで、暖房を行うようになっている。このため、外部に放出された冷気によってラジエータ２０やその周辺配管の凍結を助長することとなる。ところが、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａが第４温度ｔ４を下回り、且つヒートポンプタイプのエアコン１００により暖房が為されている場合、ラジエータ２０に流す冷却液の量を増加させるため、ラジエータ２０に流れる冷却液の過冷却が防止されることとなる。従って、ラジエータ２０や配管の変形、劣化を防止することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。すなわち、上記実施形態では、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａを検出する手段として、ラジエータ２０の下流に取り付けられた温度センサを用いているが、これに限るものではない。例えば、ラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａを検出する手段としては、外気温度を測定する外気温センサと該センサからの信号に基づいてラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａを推定する推定演算手段とであってもよい。また、燃料電池１０の内部温度ｔｂを検出する手段、及びセル電圧Ｖを検出する手段、発電電圧Ｖ１を検出する手段、及び供給電流Ｉ１を検出する手段についても同様に、推定演算手段によって推定されるようにされていてもよい。

また、上記実施形態では、三方弁７０を駆動することによりラジエータ２０及びバイパス配管５０に流す冷却液の量を調節しているが、これに限らず、さらにポンプ４０の回転数を制御することにより冷却液の流速を調節して、ラジエータ２０及びバイパス配管５０に流す冷却液の量を調節するようにしてもよい。

さらに、本発明は上記実施形態に限られるものでなく、例えば以下のように構成してもよい。すなわち、制御装置６０は、燃料電池１０の内部温度ｔｂ及びラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａの少なくとも一方に応じて、バイパス配管５０及びラジエータ２０に流す冷却液の流入量を制御するように構成してもよい。この構成により、燃料電池１０の内部温度ｔｂ及びラジエータ２０に存在する冷却液の温度ｔａの低下を抑止して、燃料電池１０の出力低下やラジエータ２０及びその周辺配管の凍結を防止することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池冷却システムの詳細な動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池冷却システムの詳細な動作を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。 制御装置６０が予め記憶している電圧及び電流の値を示すグラフである。 第３実施形態に係る燃料電池冷却システムの詳細な動作を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る燃料電池冷却システムの構成図である。 第４実施形態に係る燃料電池冷却システムの詳細な動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１〜４…燃料電池冷却システム
１０…燃料電池
２０…ラジエータ
３０…冷却液循環配管
４０…ポンプ
５０…バイパス配管
６０…制御装置（制御手段）
６１…セル電圧検出部（セル電圧検出手段）
６２…発電電圧検出部（発電電圧検出手段）
６３…供給電流検出部（供給電流検出手段）
７０…三方弁
８０…ラジエータ側温度センサ（ラジエータ温度検出手段）
９０…燃料電池側温度センサ（燃料電池温度検出手段）
１００…エアコン（空調手段）

Claims (9)

1. 燃料電池と、
   冷却液を冷却するラジエータと、
   前記燃料電池及び前記ラジエータの間で冷却液を循環させる冷却液循環配管と、
   前記冷却液循環配管から冷却液を導入し、前記ラジエータを迂回して冷却液を再度前記冷却液循環配管に戻すバイパス配管と、
   前記ラジエータと前記バイパス配管とに流す冷却液の量を制御する制御手段と、
   前記ラジエータに存在する冷却液の温度を測定又は推定するラジエータ温度検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記ラジエータ温度検出手段により検出された温度が第１温度を下回った場合、前記ラジエータに流す冷却液の量を増加させる
   ことを特徴とする燃料電池冷却システム。
2. 前記ラジエータ温度検出手段は、前記ラジエータに存在する冷却液の温度を測定する少なくとも１つの温度センサを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
3. 前記燃料電池の内部温度を測定又は推定する燃料電池温度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記ラジエータ温度検出手段によって検出された温度が第１温度を下回ったことにより前記ラジエータに流す冷却液の量を増加させた後に、前記燃料電池温度検出手段によって検出された温度が第２温度を下回った場合、前記バイパス配管に流す冷却液の量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池冷却システム。
4. 前記制御手段は、前記ラジエータ温度検出手段によって検出された温度が第１温度を下回ったことにより前記ラジエータに流す冷却液の量を増加させてから所定時間経過したときに、前記ラジエータ温度検出手段によって検出された温度が第３温度を超えていなかった場合、前記バイパス配管に流す冷却液の量を増加させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池冷却システム。
5. 前記制御手段は、
   前記燃料電池のセル電圧を測定又は推定するセル電圧検出手段をさらに備え、
   前記ラジエータ温度検出手段によって検出された温度が第１温度を下回ったことにより前記ラジエータに流す冷却液の量を増加させた後に、前記セル電圧検出手段によって検出されたセル電圧の偏差が特定値以上となる場合、前記バイパス配管に流す冷却液の量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池冷却システム。
6. 前記制御手段は、
   前記燃料電池の発電電圧を測定又は推定する発電電圧検出手段と、
   前記燃料電池から負荷に供給される供給電流を測定又は推定する供給電流検出手段と、をさらに備え、
   前記ラジエータ温度検出手段によって検出された温度が第１温度を下回ったことにより前記ラジエータに流す冷却液の量を増加させた後に、前記発電電圧検出手段によって検出された発電電圧、及び前記供給電流検出手段により検出された供給電流が、予め記憶する電圧及び電流の値よりも、所定値以上小さくなった場合に、前記バイパス配管に流す冷却液の量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池冷却システム。
7. ヒートポンプを有する空調手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記ラジエータ温度検出手段によって検出された温度が第４温度を下回り、且つ前記空調手段が暖房動作をしていることを検出した場合、前記ラジエータに流す冷却液の量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池冷却システム。
8. 前記制御手段は、燃料電池の内部温度及びラジエータに存在する冷却液の温度の少なくとも一方に応じて、前記バイパス配管及び前記ラジエータに流す冷却液の量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
9. 燃料電池に冷却液を流して冷却し、該燃料電池から熱を奪って暖められた冷却液をラジエータにて冷却し、再び燃料電池の冷却液として前記燃料電池に流し込む燃料電池冷却システムであって、
   前記ラジエータの温度が第１温度を下回った場合には、前記燃料電池から前記ラジエータを経ることなく再度前記燃料電池に至る冷却液の量を減少させる
   ことを特徴とする燃料電池冷却システム。
   

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