JP2006294499A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池への冷却液の供給量を高精度に制御することで、燃料電池の温度を最適に制御し、燃料電池に所望の性能を発揮させる。
【解決手段】 アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池１２と、燃料電池１２に接続され、冷却液が流れる冷却管１４，１６と、冷却管１４，１６に設けられ、燃料電池１２に冷却液を送るポンプ１８と、ポンプの下流において冷却管１４に接続され、燃料電池１２をバイパスして冷却液を流すバイパス管３０と、バイパス管３０における冷却液の流量を制御する制御弁３２と、冷却液の温度を取得する温度センサ２６と、ポンプ１８の回転数を通常時よりも低下させた状態で、冷却液の温度に応じて制御弁３２の開度を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、冷却液を加熱するヒータを備えたシステムに適用して好適である。

従来、例えば特開２００３−３６８７４号公報には、燃料電池の温度が低いほど冷却水の循環量を減らす技術が開示されている。

特開２００３−３６８７４号公報 特開２００３−２４９２５１号公報 特開平６−２３１７９１号公報 特開２００４−１４３２４号公報

しかしながら、冷却水はポンプから送出されてシステム内を循環するが、ポンプには最低回転数が存在するため、最低回転数時の流量以下で冷却水を循環させることはできない。このため、燃料電池への冷却水の供給量を減少させることには限界があり、温度制御を精度良く行うことは困難である。

従って、極低温下の冷間始動時など冷却液の温度が低下している条件下では、ポンプを最低回転数で制御した場合においても、所定量の冷却液が燃料電池に送られてしまう。このため、低温の冷却液により燃料電池が過冷却されてしまい、燃料電池内部で生成水が凍結する虞も生じる。このため、燃料電池に所望の性能を発揮させることが困難となる。一方、ポンプを停止した場合は、燃料電池内部の冷却液の流れが停止し、燃料電池内部の温度分布が不均一になるため、やはり燃料電池に所望の性能を発揮させることは困難である。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池への冷却液の供給量を高精度に制御することで、燃料電池の温度を最適に制御し、燃料電池に所望の性能を発揮させることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に接続され、冷却液が流れる冷却管と、前記冷却管に設けられ、前記燃料電池に前記冷却液を送るポンプと、前記ポンプの下流において前記冷却管に接続され、前記燃料電池をバイパスして前記冷却液を流すバイパス管と、前記バイパス管における前記冷却液の流量を制御する制御弁と、前記冷却液の温度を取得する冷却液温度取得手段と、前記ポンプの回転数を通常時よりも低下させた状態で、前記冷却液の温度に応じて前記制御弁の開度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、前記ポンプの回転数を最低回転数に設定した状態で前記制御弁の開度を制御することを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記バイパス管に設けられ、前記冷却液を加熱するヒータを更に備えたことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記制御手段は、前記ヒータへの通電が停止された際には、前記制御弁を閉じて前記バイパス管における前記冷却液の流量を０とすることを特徴とする。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、システムの暖機時に、前記燃料電池から排出された前記冷却液の温度に基づいて前記制御弁の開度を所定値から減少させることを特徴とする。

第６の発明は、第３又は第４の発明において、前記制御手段は、システムの暖機時に、前記ヒータにより暖められた前記冷却液の温度に基づいて前記制御弁の開度を所定値から減少させることを特徴とする。

第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記冷却液の温度が高いほど前記制御弁の開度を小さくすることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池をバイパスして前記冷却液を流すバイパス管を設け、ポンプの回転数を通常時よりも低下させた状態でバイパス管に設けられた制御弁の開度を制御するようにしたため、燃料電池に送られる冷却液の流量をポンプから送出された流量以下の流量で制御することができる。これにより、燃料電池に送られる冷却液の流量を高精度に制御することが可能となり、燃料電池を所望の温度に制御することが可能となる。

第２の発明によれば、ポンプの回転数を最低回転数に設定した状態で制御弁の開度を制御するため、燃料電池に送られる冷却液の流量をポンプの最低回転数時の流量よりも少なくした状態で制御することができる。これにより、燃料電池に送られる冷却液の流量を微小値に設定することができ、冷間始動時などにおいて、燃料電池が過冷却されてしまうことを抑止できる。

第３の発明によれば、バイパス管に冷却液を加熱するヒータを設けたため、冷却液を短時間で昇温することが可能となる。従って、冷間始動時など冷却液の温度が低下している場合であっても、燃料電池を確実に暖機することができる。

第４の発明によれば、ヒータへの通電が停止された際には、制御弁を閉じてバイパス管における冷却液の流量を０とするため、冷却液がヒータを通過することによる圧力損失の発生を抑止することができる。従って、ポンプの駆動負荷を低減することができ、システム効率を高めることが可能となる。

第５の発明によれば、システムの暖機時に、燃料電池から排出された冷却液の温度に基づいて制御弁の開度を所定値から減少させるため、燃料電池に送る流量を増加することができ、燃料電池を最適な温度に制御することが可能となる。

第６の発明によれば、システムの暖機時に、ヒータにより暖められた冷却液の温度に基づいて制御弁の開度を所定値から減少させるため、バイパス管における流量を減少させることができ、ヒータにより暖められた冷却液を燃料電池に送ることが可能となる。これにより、燃料電池を短時間で昇温することが可能となる。

第７の発明によれば、冷却液の温度が高いほど制御弁の開度を小さくするため、冷却液の温度が高い場合ほど燃料電池に送る冷却液の流量を増加することが可能となる。従って、燃料電池の温度を最適に保つことが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、燃料電池自動車などの車両に搭載され、当該車両を駆動するものである。燃料電池システム１０は、水素リッチな燃料ガスを燃料とし、空気を酸化ガスとして用いて、電力を発生する燃料電池（ＦＣ）１２を有している。

燃料電池１２は、発電を行う際に水（水蒸気）を生成する種類のものであればよく、具体的には、固体高分子型（ＰＥＭＦＣ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）等の燃料電池である。例えば固体高分子型を例に挙げると、燃料電池１２は、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、燃料ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

図１に示すように、燃料電池１２には、冷却液供給管１４と冷却液排出管１６が連通している。冷却液供給管１４にはポンプ１８が設けられており、ポンプ１８の作動により冷却液供給管１４内の冷却液が燃料電池１２へ送り込まれる。燃料電池１２内に送られた冷却液は、燃料電池１２の内部を循環し、冷却液排出管１６から排出される。燃料電池１２は所定の動作温度で発電を行うが、冷却液を燃料電池１２の内部に循環させることで、燃料電池１２の温度を適温に保つことができる。

図１に示すように、冷却液供給管１４および冷却液排出管１６は、ラジエター２０に接続されている。また、ラジエター２０に隣接して、ラジエター２０に送風するための冷却ファン２１が設けられている。燃料電池１２から排出された冷却液は、冷却液排出管１６からラジエター２０に送られて冷却される。ラジエター２０で冷却された冷却液は、冷却液供給管１４から燃料電池１２へ再び送られる。

また、ラジエター２０と並行してバイパス管２２が設けられている。バイパス管２２の一方の端部は冷却液排出管１６に接続され、他方の端部は冷却液供給管１４に接続されている。そして、バイパス管２２と冷却液供給管１４との接続部には三方弁２４が設けられている。三方弁２４によれば、ラジエター２０とバイパス管２２のそれぞれに流れる冷却液の流量比を調整することができ、燃料電池１２から排出された冷却液を適宜バイパス管２２に流すことで、ラジエター２０による冷却液の冷却量を調整することができる。従って、冷却液を最適な温度に制御することができる。

冷却液排出管１６には、燃料電池１２の近傍に温度センサ２６が設けられている。温度センサ２６によれば、燃料電池１２から排出された冷却液の温度（冷却液出口温度Ｔ１）を検出することができる。

ポンプ１８の下流において、冷却液供給管１４はバイパス管３０により冷却液排出管１６と接続されている。バイパス管３０には、バイパス管３０における冷却液の流量を制御する制御弁３２が設けられている。制御弁３２によれば、冷却液供給管１４から燃料電池１２に送られる冷却液の流量を調節することができる。すなわち、冷却液がバイパス管３０を通過する場合は、冷却液が燃料電池１２を通過する場合に比べて圧力損失が小さくなるため、制御弁３２の開度を大きくするとバイパス管３０における冷却液の流量が多くなる。これにより、冷却液供給管１４から燃料電池１２へ流れる冷却液の流量を減少させることができる。また、制御弁３２の開度を小さくした場合は、バイパス管３０を通過する冷却液の流量が少なくなるため、燃料電池１２に送る冷却液の流量を増加することができる。

通常、ポンプの駆動により燃料電池に冷却液を送るシステムでは、ポンプの回転数を可変することにより燃料電池に送る冷却液の流量を可変するが、ポンプの回転数には下限値（最低回転数）が存在するため、燃料電池に送る冷却液の流量を最低回転数時の流量以下とすることはできない。しかし、本実施形態の構成によれば、ポンプ１８の回転数を最低回転数に設定して、制御弁３２を開くことで、燃料電池１２へ送られる冷却液の流量をポンプ１８の最低回転数時の流量以下とすることができる。そして、制御弁３２の開度を可変することで、燃料電池１２への流量を最低回転数時の流量から流量０までの間で連続的に可変することが可能である。従って、燃料電池１２に送られる冷却液の流量を高精度に制御することが可能となり、始動時の流量を微小値に設定することで、燃料電池１２の過冷却を抑えることができ、内部で生成水が凍結してしまうことを抑止できる。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、本実施形態のシステムを制御する機能を有している。すなわち、ＥＣＵ４０には、温度センサ２６などシステムが備える各種センサ、および燃料電池１２の出力を検出するセンサの出力が供給されている。また、ＥＣＵ４０には、上述したポンプ１８、冷却ファン２１、三方弁２４、制御弁３２などのアクチュエータ、および燃料電池１２への燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を制御するポンプ、制御弁などのアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力を基礎として所定の処理を行うことにより、上述した各種のアクチュエータを適当に駆動することができる。

このように構成された本実施形態のシステムにおいて、始動時には燃料電池１２へ燃料ガス、酸化ガスが供給され、ポンプ１８が作動される。そして、冷間始動時など冷却液の温度が低下している場合は、ラジエター２０への冷却液の流入を停止するため、冷却液排出管１６を流れる冷却液がバイパス管２２を経由して冷却液供給管１４に送られるように三方弁２４の状態が設定される。これにより、ラジエター２０で冷却液が冷却されてしまうことを抑えることができ、冷却液の昇温を容易に行うことが可能となる。

また、冷却液の温度が低下している場合は、ポンプ１８の回転数が最低回転数に設定され、制御弁３２が大きく開かれる。これにより、ポンプ１８から送出されて冷却液供給管１４を流れる冷却液の殆どがバイパス管３０に流れ込み、冷却液供給管１４から燃料電池１２に送られる冷却液の流量が微小値に設定される。この際、燃料電池１２への流量は、燃料電池内部の温度の均一性が保てる条件下において最も少ない流量に設定する。

図２は、この状態でのシステム内の冷却液の流れを示す模式図である。図２に示すように、制御弁３２を大きく開くことで、図２中に矢印Ａで示す経路（冷却液排出管１６→バイパス管２２→冷却液供給管１４→バイパス管３０→冷却液排出管１６；以下、経路Ａという）における冷却液の流量が多くなる。

そして、冷却液供給管１４から燃料電池１２に流れ込む冷却液の流量は微小値となる。すなわち、図２中に矢印Ｂで示す経路（冷却液供給管１４→燃料電池１２→冷却液排出管１６；以下、経路Ｂという）における冷却液の流量は微小値となる。

燃料電池１２が発電を行うと、燃料電池１２が発生した熱により燃料電池１２の内部の冷却液が温められる。この際、燃料電池１２内における冷却液の流量は微小値であるため、新たに燃料電池１２内に流入した冷却液による燃料電池１２の冷却は最小限に抑えられ、燃料電池１２の発熱により燃料電池１２の内部の冷却液の温度は短時間で昇温する。従って、燃料電池１２を短時間で動作温度に昇温することが可能である。これにより、始動直後から燃料電池１２に高出力を発揮させることができる。

特に、極低温時の冷間始動直後は燃料電池１２の発熱量が少ないため、低温の冷却液が多量に燃料電池１２の内部に送られると、燃料電池１２内で生成水が凍結してしまうことが想定される。しかし、本実施形態では、冷間始動直後の燃料電池１２内の冷却液の流量を微小値に設定することができるため、燃料電池１２の発熱により内部の冷却液を短時間で昇温することができ、このような凍結の発生等を確実に抑止することが可能である。従って、極低温時の冷間始動時における燃料電池１２の温度低下を確実に抑止することが可能である。

始動から所定時間が経過し、燃料電池１２の内部温度が十分に上昇した場合は、制御弁３２の開度を小さくする制御を行う。この際、燃料電池１２から冷却液排出管１６に冷却液が排出されているため、燃料電池１２の内部温度は、温度センサ２６の検出値（冷却液出口温度Ｔ１）に基づいて求めることができる。従って、冷却液出口温度Ｔ１に基づいて制御弁３２の開度が調整され、冷却液出口温度Ｔ１の上昇に伴って制御弁３２の開度を小さくする制御が行われる。

これにより、冷却液供給管１４からバイパス管３０に流れる冷却液の流量が減少し、より多くの冷却液が燃料電池１２内に流入する。燃料電池１２に送られる冷却液の流量が微小量に設定された状態が継続されると、燃料電池１２の温度が過度に上昇してしまうことが想定されるが、経路ａを流れる冷却液は十分に昇温していないため、経路ａを流れる冷却液を燃料電池１２に送ることで、燃料電池１２が過度に昇温してしまうことを抑えることができる。

燃料電池１２の発熱により加熱された冷却液は冷却液排出管１６に排出されるため、経路Ａ内の冷却液の温度は次第に上昇していく。従って、燃料電池１２内の冷却液の温度を適温に保った状態で、システム内の冷却液の温度を適温まで昇温することが可能である。

このように本実施形態では、冷却液供給管１４と冷却液排出管１６を接続するようにバイパス管３０を設けているため、ポンプ１８の回転数を最低回転数に設定し、更に制御弁３２の開度を調節することで、燃料電池１２に送られる冷却液の流量を最低回転数時の流量以下で制御することができる。従って、始動直後は燃料電池１２への流量を微小値に設定して燃料電池１２の温度上昇を短時間で行うことができ、燃料電池１２の温度が適温に達した後は制御弁３２の開度を減少させていくことで、燃料電池１２の過熱を防ぐとともにシステム内の冷却液を適温に昇温することができる。

なお、始動時のポンプ１８の回転数については、暖機完了後のポンプ１８の通常の回転数よりも低下させるようにしても良い。この状態で制御弁３２の開度を調節することで、燃料電池１２に送られる冷却液の流量をポンプ１８から送出された流量よりも低下させることができ、燃料電池１２が過冷却されることを抑えることができる。

冷却液の温度が適温に上昇し、システムの暖機が完了した後は、制御弁３２が閉じられる。そして、冷却液出口温度Ｔ１に基づいてポンプ１８の回転数を制御する。また、三方弁２４の状態を可変して、冷却液をラジエター２０に流すように制御が行われる。これにより、冷却液の温度を所望の値に制御することができる。

次に、図３のフローチャートに基づいて、実施の形態１のシステムにおける処理の手順について説明する。先ず、ステップＳ１では、燃料電池システム１０を始動する。具体的には、ポンプ１８を作動し、燃料電池１２に燃料ガス、酸化ガスを供給して、発電を開始する。次のステップＳ２では、温度センサ２６で検出した冷却液の温度に基づいて、低温時の始動（冷間始動）であるか否かを判定する。具体的には、温度センサ２６から検出した冷却液出口温度Ｔ１と所定のしきい値Ｔ０とを比較し、冷却液出口温度Ｔ１がしきい値Ｔ０以下の場合は、冷間始動であると判定する。

ステップＳ２で冷間始動と判定された場合は、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、ポンプ１８を最低回転数で駆動する。一方、冷間始動ではない場合は処理を終了する(RETURN)。

ステップＳ３の後はステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、制御弁３２による分流の割合を設定する。ここでは、冷却液供給管１４から燃料電池１２に流れる冷却液の流量と、冷却液供給管１４からバイパス管３０に流れる冷却液の流量との比がα：（１−α）となるように制御弁３２の開度が設定される。αは、冷却液出口温度Ｔ１としきい値Ｔ０との偏差（Ｔ１−Ｔ０）に対してＰＩ制御される値である。αの初期値は、燃料電池１２に送られる冷却液の流量が燃料電池内部の温度の均一性を保てる条件下において最も少なくなる所定値に設定される。偏差（Ｔ１−Ｔ０）の絶対値は時間の経過に伴って減少するため、αの値は時間の経過とともに増加するように制御され、最終的にはα＝１となる。このようにαの値を制御することにより、冷却液出口温度Ｔ１の上昇に伴って、制御弁３２の開度が小さくなるように制御が行われる。

ステップＳ４の後はステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、α＝１となる状態が所定時間継続したか否かを判定する。α＝１の状態が所定時間継続した場合、すなわち、ポンプ１８から送出された冷却液の全てが燃料電池１２に送られている状態が所定時間継続した場合は、ステップＳ６へ進む。この場合、偏差（Ｔ１−Ｔ０）の絶対値は十分に減少しており、システム内の冷却液は十分に昇温していると考えられるため、ステップＳ６では、冷却液出口温度Ｔ１に基づいてポンプ１８の回転数を制御する。ステップＳ６の後は、処理を終了する(RETURN)。

一方、ステップＳ５において、α＝１が所定時間継続していない場合は、ステップＳ４へ戻る。この場合、偏差（Ｔ１−Ｔ０）が十分に減少しておらず、冷却液の温度が十分に昇温していないと考えられるため、引き続き分流の割合がα：（１−α）となるように制御弁３２の開度を設定する。

図３の処理によれば、冷却液出口温度Ｔ１の上昇に伴って制御弁３２の開度が減少するように制御が行われる。従って、冷間始動直後は燃料電池１２に流入する冷却液の流量が少なくなり、燃料電池１２の温度を短時間で上昇させることができる。また、冷却液出口温度Ｔ１が十分に上昇した場合は、制御弁３２の開度が減少して燃料電池１２に流入する冷却液の流量が増加するため、燃料電池１２の過度な温度上昇を確実に抑えることができる。

以上説明したように実施の形態１によれば、冷間始動時には、ポンプ１８の回転数を最低回転数とし、冷却液供給管１４からバイパス管３０へ冷却液を流すようにしたため、始動直後における燃料電池１２内の冷却液の循環量を最小限に抑えることができる。従って、燃料電池１２を短時間で昇温することが可能となる。また、燃料電池１２内に低温の冷却液が流入してしまうことを抑止できるため、燃料電池１２の過冷却を抑えることができ、燃料電池１２の内部で生成水が凍結してしまうことを抑止できる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。図４に示すように、実施の形態２のシステムでは、冷却液供給管１４にヒータ３４および温度センサ２８が設けられている。ヒータ３４および温度センサ２８は、ポンプ１８の下流であって、冷却液供給管１４からバイパス管３０が分岐する分岐点よりも上流に設けられている。ヒータ３４及び温度センサ２８はＥＣＵ４０と接続されている。実施の形態１と同様に、ＥＣＵ４０は、温度センサ２８などの各種センサの出力に基づいて、ヒータ３４及び他のアクチュエータを制御する。実施の形態２のシステムの他の構成は実施の形態１と同様である。

実施の形態１では燃料電池１２の発熱により冷却液の温度を昇温するようにしたが、実施の形態２は、燃料電池１２の熱とともにヒータ３４の熱を利用して短時間で冷却液の温度を昇温するものである。

実施の形態１と同様に、冷間始動時など冷却液の温度が低下している場合は、ラジエター２０への冷却液の流入を停止するため、冷却液排出管１６を流れる冷却液がバイパス管２２を経由して冷却液供給管１４に送られるように三方弁２４の状態が設定される。

そして、ポンプ１８の回転数が最低回転数に設定され、制御弁３２が開かれる。これにより、ポンプ１８から送出されて冷却液供給管１４を流れる冷却液の殆どがバイパス管３０に流れ込み、冷却液供給管１４から燃料電池１２に送られる冷却液の流量が微小値に設定される。この際、燃料電池１２への流量は、燃料電池内部の温度の均一性が保てる条件下において最も少ない流量に設定する。

これにより、実施の形態１で説明したように、図２中の経路Ａにおける冷却液の流量が多くなり、経路Ｂにおける冷却液の流量は微小値となる。

燃料電池１２が発電を行うと、燃料電池１２が発生した熱により燃料電池１２の内部の冷却液が温められる。この際、燃料電池１２内における冷却液の流量は微小値であるため、新たに燃料電池１２内に流入した冷却液による燃料電池１２の冷却は最小限に抑えられ、燃料電池１２の発熱により燃料電池１２の内部の冷却液の温度は短時間で昇温する。

また、実施の形態２では、冷間始動時など冷却液の温度が低下している場合はヒータ３４への通電を行う。ヒータ３４は冷却液供給管１４からバイパス管３０が分岐する分岐点よりも上流に設けられているため、ヒータ３４により主として経路Ａ内を流れる冷却液が加熱される。

これにより、燃料電池１２の発熱により経路Ｂ内の冷却液を昇温するとともに、ヒータ３４の発熱により経路Ａ内の冷却液を昇温することができる。従って、システム内の冷却液をより短時間で適正温度に昇温することが可能である。

特に実施の形態２では、ヒータ３４により加熱された経路Ａ内の冷却液を燃料電池１２に送ることができるため、燃料電池１２の発熱のみで燃料電池１２内の冷却液を昇温する場合に比べて、より短時間で燃料電池１２を適温に到達させることが可能である。

実施の形態２では、温度センサ２８で検出された経路Ａ内の冷却液の温度に基づいて、制御弁３２の開度を小さくする制御を行う。これにより、経路Ａ内で温められた冷却液を燃料電池１２に送ることができ、低温下での燃料電池１２の起動に必要な熱量を有する冷却液を燃料電池１２に送ることができる。従って、燃料電池１２の温度を短時間で昇温することができる。

また、始動直後は燃料電池１２への流量が微小値となるように制御弁３２の開度を固定し、経路Ａを循環する冷却液の温度が所定のしきい値を越えた場合は、制御弁３２を完全に閉じるようにしても良い。制御弁３２を閉じることで、バイパス管３０を流れる冷却液の流量が０となり、ポンプ１８から送出された冷却液の全てが燃料電池１２に送られる。この際、経路Ａ内の冷却液の温度は所定のしきい値を超えているため、冷却液の温度は適温に到達している。従って、経路Ａ内の冷却液を燃料電池１２に送ることで、燃料電池１２の温度を適温に設定することができる。

図５は、ヒータ３４及び温度センサ２８をバイパス管３０に設けた例を示す模式図である。図５の構成においても、始動時にヒータ３４により経路Ａ内の冷却液を加熱することができる。そして、温度センサ２８により検出した経路Ａ内の冷却液の温度に基づいて制御弁３２の開度を制御することで、経路Ａ内で加熱された冷却液を燃料電池１２に送ることができる。

また、図５の構成によれば、システムの暖機が完了した際に制御弁３２を完全に閉じることで、ヒータ３４内における冷却液の流れが停止する。このため、ヒータ３４内で圧力損失が発生することがなく、暖機完了後におけるポンプ１８の駆動負荷を低減することができる。従って、ポンプ１８の消費電力を低減することができ、システム効率を高めることができる。

次に、図６のフローチャートに基づいて、実施の形態２のシステムにおける処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１１では、燃料電池システム１０を始動する。具体的には、ポンプ１８を作動し、燃料電池１２に燃料ガス、酸化ガスを供給して、発電を開始する。次のステップＳ１２では、温度センサ２６又は温度センサ２８で検出した冷却液の温度に基づいて、低温時の始動（冷間始動）であるか否かを判定する。具体的には、温度センサ２６，２８による冷却液温度の検出値と所定のしきい値とを比較し、検出値がしきい値以下の場合は、冷間始動であると判定する。

ステップＳ１２で冷間始動と判定された場合は、ステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３では、ヒータ３４への通電を行う。一方、ステップＳ１２で冷間始動ではないと判定された場合は、処理を終了する(RETURN)。

ステップＳ１３の後はステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、ポンプ１８を最低回転数で駆動する。次のステップＳ１５では、制御弁３２による分流の割合を設定する。ここでは、βを一定値とし、冷却液供給管１４から燃料電池１２に流れる冷却液の流量と、冷却液供給管１４からバイパス管３０に流れる冷却液の流量との比がβ：（１−β）となるように制御弁３２の開度が設定される。この分流比は固定値であり、燃料電池１２に送られる冷却液の流量が燃料電池内部の温度の均一性を保てる条件下において最も少なくなるように分流比が設定される。

次のステップＳ１６では、温度センサ２８で検出した冷却液の温度Ｔ２と所定値とを比較し、Ｔ２＞所定値であるか否かを判定する。そして、Ｔ２＞所定値の場合は、ステップＳ１７へ進む。この場合、経路Ａを流れる冷却液の温度が十分に昇温しているため、ステップＳ１７では、制御弁３２を閉じてバイパス管３０における冷却液の流れを停止する。これにより、ポンプ１８から送出された冷却液の全てが燃料電池１２に送られ、ヒータ３４で所定値まで昇温された冷却液により燃料電池１２の温度が最適に設定される。

一方、ステップＳ１６でＴ２≦所定値の場合は、ステップＳ１５へ戻る。この場合、経路Ａ内で冷却液の温度が十分に昇温していないと考えられるため、引き続き分流の割合がβ：（１−β）となるように制御弁３２の開度を設定する。

ステップＳ１７の後はステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８では、ヒータ３４への通電を停止する。次のステップＳ１９では、温度センサ２６で検出した冷却液出口温度Ｔ１に基づいてポンプ１８の回転数を制御する。ステップＳ１９の後は処理を終了する(RETURN)。

図６の処理によれば、冷間始動直後は分流比がβ：（１−β）となるように制御弁３２の開度を設定して、燃料電池１２に送られる冷却液の流量を最小限に抑えるため、燃料電池１２の発熱により内部の冷却液を早期に昇温することができる。また、経路Ａを循環する冷却液の温度が所定値を超えた場合は制御弁３２を閉じるようにしたため、ヒータ３４により適温に暖められた冷却液を燃料電池１２に送ることが可能となる。

以上説明したように実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に冷間始動直後は燃料電池１２への冷却液の流量を最小限に抑えることができるため、燃料電池１２の発熱により内部の冷却液を昇温することができ、燃料電池１２の過冷却、生成水の凍結等を抑止することができる。また、ヒータ３４により冷却液を加熱して燃料電池１２に送るようにしたため、燃料電池１２を非常に短時間で適正温度に到達させることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 システム内の冷却液の流れを示す模式図である。 実施の形態１のシステムにおける処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 実施の形態２において、ヒータ及び温度センサをバイパス管に設けた例を示す模式図である。 実施の形態２のシステムにおける処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１２ 燃料電池
１４ 冷却液供給管
１６ 冷却液排出管
１８ ポンプ
３０ バイパス管
３２ 制御弁
３４ ヒータ
２６，２８ 温度センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池に接続され、冷却液が流れる冷却管と、
   前記冷却管に設けられ、前記燃料電池に前記冷却液を送るポンプと、
   前記ポンプの下流において前記冷却管に接続され、前記燃料電池をバイパスして前記冷却液を流すバイパス管と、
   前記バイパス管における前記冷却液の流量を制御する制御弁と、
   前記冷却液の温度を取得する冷却液温度取得手段と、
   前記ポンプの回転数を通常時よりも低下させた状態で、前記冷却液の温度に応じて前記制御弁の開度を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記ポンプの回転数を最低回転数に設定した状態で前記制御弁の開度を制御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. 前記バイパス管に設けられ、前記冷却液を加熱するヒータを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記ヒータへの通電が停止された際には、前記制御弁を閉じて前記バイパス管における前記冷却液の流量を０とすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、システムの暖機時に、前記燃料電池から排出された前記冷却液の温度に基づいて前記制御弁の開度を所定値から減少させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、システムの暖機時に、前記ヒータにより暖められた前記冷却液の温度に基づいて前記制御弁の開度を所定値から減少させることを特徴とする請求項３又は４記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記冷却液の温度が高いほど前記制御弁の開度を小さくすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。

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