JP2007087856A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の入口と出口の冷却液の温度差の拡大を抑制し、燃料電池を熱歪みから保護することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池１の入口の冷却液温度を検出する温度センサ５で検出された冷却液温度と、燃料電池１の出口の冷却液温度を検出する温度センサ６で検出された冷却液温度との温度差、ならびに目標取り出し電流に基づいて、出力制限手段１１によって燃料電池１から取り出す取り出し電流を制限して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を冷却する冷却系を備えた燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献１には、外気温に応じて燃料電池の出力を制限する方法が記載されている。すなわち、燃料電池の生成余剰熱を放散する冷却塔の放散熱量に見合うように発電出力を制限することで、冷却塔で十分な放熱ができないような高外気温時には、外気温に応じて燃料電池の出力を制限して燃料電池をはじめとする各機器の温度を適正な範囲に維持するようにしている。
特開平０５−０７４４７７号公報

このような従来の燃料電池においては、燃料電池を耐熱温度以下に抑制できる一方、燃料電池の入口と出口の冷却液の温度差が過大になるおそれがある。燃料電池の入口と出口の冷却液の温度差が過大になると、熱歪みが発生し、耐久性が悪化するという不具合を招くおそれがあった。

燃料電池の入口と出口の冷却液の温度差が過大になる原因としては、例えば冷却液の流量低下や燃料電池のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性の低下が挙げられる。冷却液の流量については、設計的に冷却液ポンプの容量を大きくすれば高流量を確保することが可能となるが、消費電力の増大やシステムの大型化を招いてしまう。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の入口と出口の冷却液の温度差の拡大を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させた燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に冷却液を供給循環させ、前記燃料電池を冷却する冷却系とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の入口の冷却液温度を検出する入口冷却液温度検出手段と、前記燃料電池の出口の冷却液温度を検出する出口冷却液温度検出手段と、前記入口冷却液温度検出手段で検出された冷却液温度と前記出口冷却液温度検出手段で検出された冷却液温度との温度差に基づいて、前記燃料電池から取り出す取り出し電力または取り出し電流に制限をかける出力制限手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池入口と出口で検出された冷却液の温度差に基づいて、燃料電池の出力に制限をかけることで、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差の拡大を抑制することが可能となり、燃料電池を熱歪みから保護することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムは、発電を行う燃料電池１を備え、図示していないが、燃料電池１のアノード極に燃料ガスの水素ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスの空気（酸素）が供給され、以下に示す電極反応が進行して電力が発電される。

（化１）
アノード極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード極：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
燃料電池システムは、燃料電池１の発電により生じた熱を除去する冷却系を備え、この冷却系は、ポンプ２、ラジエタ３ならびにラジエタファン４を備えている。ポンプ２は、冷却液が循環する冷却液循環路に設けられ、燃料電池１とラジエタ３との間で冷却液を循環させる。ラジエタ３は、冷却液が循環する冷却液循環路に設けられ、燃料電池１から排出されて昇温した冷却液を熱交換して冷却する。ラジエタファン４は、ラジエタ３に併設されて、ラジエタ３に送風することでラジエタ３を流通する冷却液の冷却を促進させる。

燃料電池システムは、温度センサ５，６、パワーマネージャー（ＰＭ）７ならびに出力制限手段１１を含むコントロールユニット（図示せず）を備えている。

温度センサ５は、燃料電池１の冷却液の入口側に設けられ、入口側の冷却液の温度を検出し、検出した温度は出力制限手段１１に与えられる。温度センサ６は、燃料電池１の冷却液の出口側に設けられ、出口側の冷却液の温度を検出し、検出した温度は出力制限手段１１に与えられる。

パワーマネージャー７は、ＰＭ指令電流に基づいて、燃料電池１の発電で得られた電流を燃料電池１から取り出し、取り出した電流を消費する負荷、例えば燃料電池車両の駆動モータに供給する。出力制限手段１１は、温度センサ５，６で検出された燃料電池１の入口と出口の冷却液の温度、ならびに目標取り出し電流に基づいて、パワーマネージャー７にＰＭ指令電流を与え、燃料電池１から取り出される取り出し電流を制御する。

コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、上記温度センサ５，６ならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、パワーマネージャー７を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する燃料電池１の出力制限動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、燃料電池１の出力制限の手順を説明する。

図２において、先ず、温度センサ５により燃料電池入口の冷却液温度を検出する（ステップＳ２０１）。続いて、温度センサ６により燃料電池出口の冷却液温度を検出する（ステップＳ２０２）。その後、検出された燃料電池入口と出口の冷却液の温度差が予め設定された所定温度差以上であるか否かを判別する（ステップＳ２０３）。

判別の結果、冷却液温度差が所定温度差未満である場合は、燃料電池１から目標取り出し電流を取り出す（ステップＳ２０４）。一方、冷却液温度差が所定温度差以上である場合には、燃料電池１の取り出し電流を制限する（ステップＳ２０５）。

次に、燃料電池１の取り出し電流の制限方法を２通り説明する。

図３は燃料電池入口と出口の冷却液温度差が所定温度差以上になった場合に、取り出し電流を所定電流制限値に制限する手法を示す図である。図３において、燃料電池入口と出口の冷却液温度差が所定温度差以上になると、出力制限手段１１に含まれるセレクトロー手段３０で目標取り出し電流と所定電制限値の低値を選択してＰＭ指令電流とする。一方、冷却液温度差が所定温度差未満の場合には、目標取り出し電流をＰＭ指令電流とし、電流制限をかけない。

図４は燃料電池入口と出口の冷却液温度差と予め設定された目標制限温度差との偏差をフィードバックして電流制限値を演算し、電流を制限する手法を示す図である。図４において、燃料電池入口と出口の冷却液温度差が所定温度差以上になると、出力制限手段１１に含まれるＰＩ演算部４０で燃料電池入出口冷却液温度差と目標制限温度差との偏差の積分値となるＰＩ制御値を演算し、燃料電池１の定格電流値から演算で得られたＰＩ制御値を差し引くことによって電流制限値を求める。先のセレクトロー手段３０と同様なセレクトロー手段４１でこの電流制限値と目標取り出し電流との低値を選択してＰＭ指令電流とする。一方、燃料電池入口と出口の冷却液温度差が所定温度差未満の場合には、目標取り出し電流をＰＭ指令電流とし、電流制限を行わない。

図５は図４に示す出力制限方法における冷却液温度差と電流制限値との応答を示す図である。図５において、実取り出し電流が大きくなると燃料電池入出口の冷却液温度差が拡がる。冷却液温度差が所定温度差以上になると、冷却液温度差と目標制限温度差との偏差に基づいて電流制限値が上述したようにして演算される。目標取り出し電流と電流制限値との低値が選択され、選択された電流に実取り出し電流が制限され、冷却液温度差が目標制限温度差に一致する。

このように、上記実施例１においては、燃料電池入口と出口で検出された冷却液の温度差に基づいて、燃料電池１の取り出し電流に制限をかけることで、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差の拡大を抑制することが可能となり、燃料電池１を熱歪みから保護することができる。

また、燃料電池入口と出口で検出された冷却液の温度差と、目標制限温度差との偏差をフィードバックして電流制限値を演算することで、上記偏差をフィードバックすることによって高精度に冷却液の温度差を守ることができる。

さらに、燃料電池１の劣化や冷却液流路の経時変化による燃料電池入口と出口の冷却液温度差の拡がりを初期段階から考慮して取り出し電流の制限をきつめに設計しなくてもよく、燃料電池車両などの動力性能を向上させることができる。

図６は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図６に示す実施例２の燃料電池システムの特徴とするところは、先の実施例１のシステムに比べて、温度センサ５，６で検出され燃料電池入口と出口の冷却液温度と、出力制限手段１１から与えられるＰＭ指令電流とに基づいて、ポンプ２の回転数を演算する冷却液流量増量手段１２を設け、この冷却液流量増量手段１２でポンプ２の回転数を制御したことにあり、他の構成は先の実施例１と同様である。

図７はポンプ２に回転数を指令するポンプ回転数指令の演算手法を示す図である。図７において、冷却液流量増量手段１２は、図７に示すような回転数テーブルを備え、ＰＭ指令電流に基づいてこの回転数テーブルを参照してポンプ回転数指令を演算する。その後、燃料電池入口と出口の冷却液温度差が、冷却液の流量を増やす増量開始の温度差未満である場合は、演算で得られたポンプ回転数指令がポンプ２に与えられてポンプ２の回転数が制御される。一方、燃料電池入口と出口の冷却液温度差が、冷却液の流量を増やす増量開始の温度差以上になると、ポンプ回転数指令を最大許容値の最大冷却液ポンプ回転数指令に切り替えられ、最大ポンプ回転数指令がポンプ２に与えられてポンプ２の回転数が制御される。

図８は図７に示す出力制限方法における冷却液温度と電流制限値の応答を示す図である。図８において、燃料電池入出口の冷却液温度差が流量増量開始の温度差以上になると、ポンプ２の回転数が最大になり冷却液流量が増える。また、冷却液温度差が所定温度差（＞流量増量開始温度差）以上になると、冷却液温度差と目標制限温度差との偏差に基づいて電流制限値が演算される。演算で得られた電流制限値と目標取り出し電流の低値が選択され、選択された電流に実取り出し電流が制限され、冷却液温度差が目標制限温度差に一致する。冷却液の流量を増量することによって、燃料電池入出口の冷却液温度差の拡大を若干抑制することができ、取り出し電流の電流制限を緩和することができる。

このように、上記実施例２においては、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差が、目標制限温度差よりも低い値に設定された温度差しきい値を越えたときに、冷却液流量を最大にするようにすることで、すなわち電流制限がかかる前に冷却液流量を最大にすることによって、燃料電池入口と出口の冷却液温度差の拡大を抑制し、電流制限にかかりにくくすることができる。これにより、燃料電池車両などの動力性能を向上させることができる。

なお、この実施例２は、以下に説明する実施例３〜５に併せて適用してもよい。

図９は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図９に示す実施例３の燃料電池システムの特徴とするところは、先の実施例１のシステムに比べて、出力制限手段１１は、出力制限値演算部１１ａ、出力制限値補正部１１ｂならびに制限部１１ｃを備えて構成されていることにあり、他の構成は先の実施例１と同様である。

出力制限値演算部１１ａは、温度センサ５によって検出された燃料電池入口の冷却液温度（または燃料電池出口の冷却液温度でもよい）に基づいて取り出し電流の電流制限値を演算する。出力制限値補正部１１ｂは、燃料電池入出口の冷却液の温度差と目標制限温度差に基づいて、出力制限値演算部１１ａで得られた出力電流制限値を補正する。制限部１１ｃは、出力制限値補正部１１ｂで補正された電流制限値をＰＭ指令電流としてパワーマネージャー７に与え、燃料電池１の取り出し電流を電流制限値に制限する。

図１０はＰＭ指令電流を生成する手法を示す図である。図１０において、出力制限値演算部１１ａは、温度センサ５で検出された燃料電池入口の冷却液温度に基づいて、演算部に備えた図１０に示すような出力制限テーブルを参照して電流制限値を演算する。

冷却液温度が低いほど燃料電池のＩ−Ｖ特性が低く、発熱量が高くなり冷却液入出口温度差が拡大する傾向となる。また、冷却液に不凍液を用いると低温時に粘度が高くなり、流量が低減して入出口の冷却液温度差がつき易くなる。これらのことから、出力制限テーブルは、冷却液温度が低くなるほど出力制限値が大きくなり電流が制限されるように予め設定する。

出力制限値補正部１１ｂは、補正部に含まれるＰＩ演算部１１０で燃料電池入出口の冷却液温度差と目標制限温度差との偏差の積分値を演算し、演算結果として電流制限補正値を求め、先の演算で得られた電流制限値と電流制限補正値との差を求めることで電流制限値を補正する。このような補正を加えることで、冷却液の入出口の実温度差と目標制限温度差がずれた場合には、その偏差がフィードバックされて電流制限値が補正されて調整されるので、目標制限温度差を精度良く守ることができる。

制限部１１ｃは、制限部１１ｃに備えたセレクトロー手段１１１で目標取り出し電流と補正された電流制限値との低値を選択し、選択した電流値をＰＭ指令電流として出力する。

このように、上記実施例３においては、燃料電池１の入口あるいは出口の冷却液温度に基づいて電流制限値を演算し、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差をフィードバックして上記演算された電流制限値を補正し、例えば低温時には電流の制限がきつくかかるようにすることで、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差の拡大を抑制することができる。

図１１は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１１に示す実施例４の燃料電池システムの特徴とするところは、先の実施例３のシステムに比べて、電流センサ８、電圧センサ９ならびに出力特性検出手段１３を加えて構成され、他の構成は先の図３と同様である。

電流センサ８は、パワーマネージャー７によって燃料電池１から取り出される取り出し電流の値を検出し、検出した取り出し電流を出力特性検出手段１３に与える。電圧センサ９は、燃料電池１の発電で得られた電力の出力電圧を検出し、検出した出力電圧を出力特性検出手段１３に与える。

出力特性検出手段１３は、電流センサ８で検出された取り出し電流と電圧センサ９で検出された出力電圧に基づいて燃料電池１のＩ−Ｖ特性を検出（または推定）し、検出したＩ−Ｖ特性を出力制限値演算部１１ａに与える。

出力制限値演算部１１ａは、出力特性検出手段１３で検出された燃料電池１のＩ−Ｖ特性に基づいて電流制限値を演算する。

図１２は燃料電池１のＩ−Ｖ特性を示す図である。図１２において、ノミナルＩ−Ｖ特性に対して実Ｉ−Ｖ特性の低下率（所定電流における電圧の低下率＝（ノミナル電圧−実電圧）／ノミナル電圧）を出力特性変化率として定義する。

図１３はＰＭ指令電流を生成する手法を示す図である。図１３において、出力制限値演算部１１ａは、先に定義した燃料電池１の出力特性変化率に基づいて、演算部に含まれる図１３に示すような出力制限テーブルを参照して電流制限値を演算する。

出力特性変化率が大きいほど発熱量が大きくなるので、出力制限テーブルは、出力特性変化率が大きくなるほど出力制限値が大きくなり電流が制限されるように予め設定する。

電流制限値がこのようにして演算される他は、先の図１０に示す実施例３と同様にしてＰＭ指令電流が生成される。

このように、上記実施例４においては、燃料電池１のＩ−Ｖ特性に基づいて電流制限値を演算し、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差をフィードバックして上記演算された電流制限値を補正し、燃料電池１のＩ−Ｖ特性が低下する程電流の制限をきつくかけるようにすることで、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差の拡大を抑制することができる。

図１４は本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１４に示す実施例５の燃料電池システムの特徴とするところは、先の実施例３のシステムに比べて、圧力センサ１０、冷却液流量推定手段１４ならびにポンプ２の回転数センサ（図示せず）を加えて構成され、他の構成は先の図３と同様である。

圧力センサ１０は、ポンプ２の吐出圧を検出し、検出した吐出圧を冷却液流量推定手段１４に与える。冷却液流量推定手段１４は、圧力センサ１０で検出されたポンプ２の吐出圧と、ポンプ２に含まれる回転数センサで検出されたポンプ２の回転数とを入力し、吐出圧と回転数とに基づいて、燃料電池１に供給される冷却液の流量を推定する。ここで、この実施例５では、ポンプ２の吐出流量＝燃料電池１への冷却液流量となる。出力制限値演算部１１ａは、冷却液流量推定手段１４で推定された燃料電池１への冷却液流量に基づいて、電流制限値を演算する。

図１５はポンプ２のＰＱ特性を示す図である。図１５において、横軸はポンプ２の吐出流量、縦軸は吐出圧力であり、ポンプ２の回転数が上がると吐出流量と吐出圧力も上昇する。冷却液流量推定手段１４はこのようなＰＱ特性を用いて、ポンプ２の吐出圧と回転数とに基づいてポンプ２の吐出流量（＝燃料電池１へ供給される冷却液の流量）を推定する。

図１６はＰＭ指令電流を生成する手法を示す図である。図１６において、出力制限値演算部１１ａは、冷却液流量推定手段１４によって推定された冷却液流量に基づいて、演算部に備えた図１６に示すような出力制限テーブルを参照して電流制限値を演算する。

冷却液流量が少ないほど燃料電池入出口の温度差がつき易くなるため、出力制限テーブルは、冷却液流量が少なくなるほど出力制限値が大きくなり電流が制限されるように予め設定する。但し、目標取り出し電流が小さいときに冷却液流量が少なくて電流制限がかかることがないように、燃料電池入出口の温度差が拡大したときに冷却液の流量を増量するという先の実施例２に示した冷却液の流量を増量する手法を採用し、冷却液の流量を増量した後電流制限をかけるようにする。

その後は、先の実施例３の図１３に示した手順と同様にしてＰＭ指令電流が生成される。

図１７は図１６における電流制限補正値を得る際に行われる積分演算の方法を更に改良した場合のＰＭ指令電流の生成手法を示す図である。なお、この手法は、先の実施例３ならびに実施例４に適用することも可能である。

図１７において、先ず、（１）システム起動時に、ゲイン設定部１７２で積分項の初期値としてゼロあるいは前回停止時の最終演算値を設定しておく。（２）燃料電池入出口冷却液温度差が目標制限温度差よりも予め設定された所定温度βだけ低い温度未満になっている場合には、Ｉゲイン演算部１７１のＩゲインからゲイン設定部１７２のゼロゲインに積分ゲインを切り替えることによって積分演算値を保持する。

これにより、燃料電池入出口冷却液温度差が目標制限温度差から距たり小さい状態（出力制限がかからないような状態）で積分演算を停止することができ、積分値の発散を防止することができる。また、積分値に出力制限がかかっている場合には、燃料電池入出口冷却液温度差の偏差をゼロに近づけるような最適値に演算されているので、出力制限がかからないような状態では積分演算値が保持される。これにより、次回に出力制限がかかったときにも、積分値の演算が最適値から開始することができ、燃料電池入出口冷却液温度差のオーバーシュートを防止して、高精度に目標制限温度差を守ることができるようになる。

次に、（３）積分ゲインのゼロゲインからＩゲインへの切り替えは、燃料電池入出口冷却液温度差が目標制限温度差よりも予め設定された所定温度αだけ低い温度とし（α＜β）、Ｉゲインの解除と復帰にヒステリシスを設けることで、出力制限のＯＮ／ＯＦＦのチャタリングを防止する。（４）積分ゲイン演算部１７３における積分値の演算には、下限値をゼロとするリミッタを設定する。

出力制限がかかってないときに、燃料電池入出口冷却液温度差が目標制限温度と積分開始所定温度（目標制限温度差−α）の間に収まった状態が長く続くと、温度偏差が積算され積分値が発散していく可能性がある。そこで、この実施例５では、下限値をゼロとするリミッタを設定することによって、積分値の発散を防止し、出力制限を正常に作動させることができる。

一方、Ｐゲイン演算部１７０におけるＰゲインについては、Ｉゲインと同様に燃料電池入出口冷却液温度差に基づいてＰゲインとゼロゲインを切り替えてもよいし、常時Ｐゲインを設定してもよい。常時Ｐゲインを設定し、燃料電池入出口冷却液温度差が目標制限温度差より低く出力制限が過剰に作用した場合には、燃料電池入出口冷却液温度差と目標制限温度差の偏差に基づいてＰゲインを常時演算する。これにより、燃料電池入出口冷却液温度差が目標制限温度差に近づくまでの間は、出力制限値演算部１１ａの電流制限値が高い側に補正されて、出力制限が過剰にかかるのを防止することができる。

図１８は図１７に示す手法を採用した際の、冷却液に係わる温度差と燃料電池１の取り出し電流に係わる値の応答を示す図である。図１８において、取り出し電流に制限がかかったときには、燃料電池入出口冷却液温度差は目標制限温度差を多少オーバーシュートすることもあるが、次回あるいは何回か電流制限がかかったときには、上記（２）の理由により燃料電池入出口冷却液温度差のオーバーシュートを防止することができる。

このように、上記実施例５においては、燃料電池１へ供給される冷却液の流量に基づいて電流制限値を演算し、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差をフィードバックして上記演算された電流制限値を補正し、冷却液流量が少なくなる程電流の制限がきつくかかるようにすることで、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差の拡大を抑制することができる。

燃料電池入口と出口の冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差と、この偏差の積分値に基づいて電流制限値の補正量を演算することで、定常偏差がなくなりさらに高精度に目標制限温度差を守ることができるようになる。また、積分値に下限値リミッタを設定することによって積分値の発散を防止することができる。

燃料電池入口と出口の温度差が目標制限温度からかけ離れて小さい状態（電流制限がかからないような状態）で温度偏差のフィードバック補正演算を行うと、温度偏差が積分項に蓄積されて電流制限値が発散し、適切に電流制限がかからなくなるおそれがある。しかし、この実施例５では温度偏差のフィードバック補正演算を行わないようにすることで、電流制限値の発散を防止することができる。

温度偏差のフィードバック補正演算を解除する温度しきい値を、演算を行う温度差しきい値よりも低い値に設定することで、温度偏差のフィードバック補正演算の実施と解除（停止）との間にヒステリシスの関係が設定され、フィードバック補正演算の実施／解除のチャタリングを防止することができる。

温度偏差のフィードバック補正演算を行っていないときには、積分演算値を保持することで、積分値は電流制限がかかっているときに、温度偏差をゼロに近づけるような最適値に演算され、次回に電流制限がかかったときにも、積分値の演算が最適値から開始することが可能となる。これにより、燃料電池入口と出口の冷却液の温度差のオーバーシュートを防止して、高精度に制限温度を守ることができる。

なお、上記実施例１〜５においては、燃料電池１の出力制限として、燃料電池１から取り出される取り出し電流を制限しているが、取り出し電流に代えて燃料電池１から取り出される取り出し電力を制限するようにしてもよい。

図１９は本発明の実施例６に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１９に示す実施例６の燃料電池システムの特徴とするところは、先の実施例１のシステムに比べて、出力制限手段１１に代えて、温度センサ５，６で検出された燃料電池１の入口の冷却液の温度と出口の冷却液の温度に基づいて燃料電池システムの運転を停止制御するシステム停止手段１５を設けたことにあり、他の構成は先の図１と同様である。

次に、図２０に示すフローチャートを参照して、燃料電池システムの停止制御の手順を説明する。

図２０において、先ず、温度センサ５により燃料電池入口の冷却液温度を検出する（ステップＳ２００１）。続いて、温度センサ６により燃料電池出口の冷却液温度を検出する（ステップＳ２００２）。その後、検出された燃料電池入口と出口の冷却液温度差が予め設定された所定温度差以上であるか否かを判別する（ステップＳ２００３）。

判別の結果、冷却液温度差が所定温度差未満である場合は、燃料電池１の発電を行い燃料電池システムの運転を継続する（ステップＳ２００４）。一方、冷却液温度差が所定温度差以上である場合には、燃料電池システムの運転を停止する（ステップＳ２００５）。

このように、この実施例６においては、冷却液の温度差が所定温度差以上になると燃料電池システムの運転を停止することで、冷却系に異常が発生して電流制限をかけても冷却液の温度差の拡大を抑制できない場合であっても、冷却液の温度差が所定温度差以上になった場合には冷却系が異常であると判断して、燃料電池システムの運転を停止してシステムの安全性を向上することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るＰＭ指令電流の生成手法を示す図である。 本発明の実施例１に係るＰＭ指令電流の他の生成手法を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池の入出口冷却液温度差と取り出し電流の変化を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係るＰＭ指令電流の生成手法を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池の入出口冷却液温度差と取り出し電流の変化を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るＰＭ指令電流の生成手法を示す図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す図である。 本発明の実施例４に係るＰＭ指令電流の生成手法を示す図である。 本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例５に係るポンプの吐出流量、吐出圧力、ポンプの回転数との関係を示す図である。 本発明の実施例５に係るＰＭ指令電流の生成手法を示す図である。 本発明の実施例５に係るＰＭ指令電流の他の生成手法を示す図である。 本発明の実施例５に係る燃料電池の入出口冷却液温度差と取り出し電流の変化を示す図である。 本発明の実施例６に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例６に係る動作の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２…ポンプ
３…ラジエタ
４…ラジエタファン
５，６…温度センサ
７…パワーマネージャー
８…電流センサ
９…電圧センサ
１０…圧力センサ
１１…出力制限手段
１１ａ…出力制限値演算部
１１ｂ…出力制限値補正部
１１ｃ…制限部
１２…冷却液流量増量手段
１３…出力特性検出手段
１４…冷却液流量推定手段
１５…システム停止手段
３０，４１，１１１…セレクトロー手段
４０，１１０…ＰＩ演算部
１７０…Ｐゲイン演算部
１７１…Ｉゲイン演算部
１７２…ゲイン設定部
１７３…積分ゲイン演算部

Claims (11)

1. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に冷却液を供給循環させ、前記燃料電池を冷却する冷却系と
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の入口の冷却液温度を検出する入口冷却液温度検出手段と、
   前記燃料電池の出口の冷却液温度を検出する出口冷却液温度検出手段と、
   前記入口冷却液温度検出手段で検出された冷却液温度と前記出口冷却液温度検出手段で検出された冷却液温度との温度差に基づいて、前記燃料電池から取り出す取り出し電力または取り出し電流に制限をかける出力制限手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記出力制限手段は、
   前記冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差に基づいて、電力制限値または電流制限値を演算する出力制限値演算部と、
   前記出力制限値演算部で得られた電力制限値または電流制限値に基づいて、前記燃料電池の取り出し電力または取り出し電流に制限をかける制限部と
   を有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. 前記出力制限手段は、
   前記燃料電池の入口の冷却液の温度あるいは前記燃料電池の出口の冷却液の温度に基づいて、電力制限値または電流制限値を演算する出力制限値演算部と、
   前記冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差に基づいて、前記出力制限値演算部で得られた電力制限値または電流制限値を補正する出力制限値補正部と、
   前記出力制限値補正部で補正された電力制限値または電流制限値に基づいて、前記燃料電池の取り出し電力または取り出し電流に制限をかける制限部と
   を有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. 前記燃料電池の出力特性を検出あるいは推定する出力特性推定手段を有し、
   前記出力制限手段は、
   前記出力特性推定手段で得られた出力特性に基づいて、電力制限値または電流制限値を演算する出力制限値演算部と、
   前記冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差に基づいて、前記出力制限値演算部で得られた電力制限値または電流制限値を補正する出力制限値補正部と、
   前記出力制限値補正部で補正された電力制限値または電流制限値に基づいて、前記燃料電池の取り出し電力または取り出し電流に制限をかける制限部と
   を有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。
5. 前記燃料電池に供給される冷却液の流量を検出あるいは推定する冷却液流量推定手段を有し、
   前記出力制限手段は、前記冷却液流量推定手段で得られた冷却液流量に基づいて、電力制限値または電流制限値を演算する出力制限値演算部と、
   前記冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差に基づいて、前記出力制限値演算部で得られた電力制限値または電流制限値を補正する出力制限値補正部と、
   前記出力制限値補正部で補正された電力制限値または電流制限値に基づいて、前記燃料電池の取り出し電力または取り出し電流に制限をかける制限部と
   を有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。
6. 前記冷却液の温度差が、目標制限温度差よりも低い値に設定された温度差しきい値を越えた場合には、冷却液の流量を供給可能な最大にする冷却液流量増量手段
   を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記出力制限値演算部、または前記出力制限値補正部は、
   前記冷却液の温度差と目標制限温度差との偏差と、この偏差の積分値に基づいて、前記電力制限値または電流制限値を補正する補正量を演算し、前記積分値には下限値を設定する
   ことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記出力制限演算部、または前記出力制限値補正部は、
   前記冷却液の温度差と目標制限温度差とが予め設定された温度範囲になった場合に、前記電力制限値または電流制限値を補正演算する
   ことを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記出力制限演算部、または前記出力制限値補正部は、
   前記電力制限値または電流制限値を補正する演算を停止する前記冷却液の温度差しきい値は、前記電力制限値または電流制限値を補正する演算を開始する前記冷却液の温度差しきい値よりも低い値に設定される
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記出力制限演算部、または前記出力制限値補正部は、
    前記電力制限値または電流制限値を補正する演算を行っていないときには、前記積分値を保持する
    ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池に冷却液を供給循環させ、前記燃料電池を冷却する冷却系と
    を有する燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池の入口の冷却液温度を検出する入口冷却液温度検出手段と、
    前記燃料電池の出口の冷却液温度を検出する出口冷却液温度検出手段と、
    前記入口冷却液温度検出手段で検出された冷却液温度と前記出口冷却液温度検出手段で検出された冷却液温度との温度差が予め設定された所定温度差以上になった場合には、前記燃料電池システムの運転を停止するシステム停止手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。

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