JP2007188667A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池を複数のセル群に分割し、セル群の入口と出口との間の冷却水の温度差を推定することにより、セル群ごとに温度センサを設置することなしに、各セル群の発熱状況を検知することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎを複数接続した燃料電池構造体２と、燃料電池構造体２に供給された冷媒を燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに分配する冷媒分配流路Ｌ２と、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎごとのセル群電圧を測定するセル群電圧センサＶ１〜Ｖｎと、燃料電池構造体２に流入する冷媒の流入温度を測定する入口温度センサＴ１とを備え、セル群電圧と冷媒の流入温度とに基づいて燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎへ流入する冷媒温度と流出する冷媒温度との温度差であるセル群温度差を推定することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池システムに係り、特に燃料電池を複数のセル群に分割し、これらのセル群へ並列に冷却水を分配して流すようにした燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、高分子電解質膜（例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜など）に代表されるイオン交換物質の両側に、白金等からなる触媒電極をそれぞれ配置することによって膜−電極集合体（ＭＥＡ）を形成し、この膜−電極集合体を集電体によって積層することで燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックには、水素を含有する燃料ガスが燃料極（アノード極）に供給され、酸素を含有する酸化剤ガスが酸化剤極（カソード極）に供給されて発電が実施されている。
このように燃料電池システムは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。
このような燃料電池システムでは、上述した膜−電極集合体によって構成された燃料電池セルによって発電が行われているが、この燃料電池セルの電池反応による起電力は１Ｖ程度であり、例えば燃料電池システムを電動車両などの高出力を必要とする用途に使用する場合には一般的に数十組の燃料電池セルを電気的に直列に接続し、電圧を高くして使用される場合が多い。
ところで、一般に燃料電池はその発電に対して、抵抗分極、活性化分極、拡散分極などの損失をもっており、これらの損失分のエネルギーは電気エネルギーとして取り出すことができずに熱エネルギーとして外部に放出される。
したがって、特に出力の大きい燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料電池内部に冷却水を流入させ、燃料電池内部の熱を外部に持ち出すことによって燃料電池を構成する部品が破損しないようにしている。その際、流入させる冷却水の流量を適切な流量に制御するため、燃料電池スタックの冷却水入口及び出口に温度センサを設け、この温度センサで測定された温度に基づいて冷却水流量を制御している場合が多い。したがって、冷却水は燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルに対してある程度均等に流入させる必要がある。
そこで、このような問題に対して、例えば特開平６−２６７５７７号公報（特許文献１）に開示された燃料電池システムでは、燃料電池スタックを複数のセル群に分割し、これらのセル群に対して並列にガスや冷却水を供給することで、燃料電池スタック内の特定の部位のみが高温になったり、他部位との温度差が大きくなったりすることを防止し、これによって燃料電池における熱ひずみや変形を防止している。
特開平６−２６７５７７号公報
しかしながら、例えば経時劣化などが原因で、ある一部のセル群の発電効率が低下すると、その部分の発熱量だけが増加してしまう。そこで、このよう場合を想定してセル群ごとに排出される冷却水の温度を測定し、過温度を検知するように構成することが考えられるが、セル群ごとに冷却水の温度を測定するためにはセンサの数が増えてしまい、コストアップや部品増加による信頼性の低下などの問題が懸念される。また、センサを設置せずに劣化などによるセル群ごとの発熱量のばらつきの問題に対処するためには、予めセル群ごとの発熱量のばらつきを考慮して燃料電池スタックに供給する冷却水の流量を決める必要があり、結果的に、実際には発熱量がばらついていない場合でも、発熱量がばらついた場合と同等の出力しか取れない設計にせざるを得ないという問題がある。
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池セル群を電気的に複数接続することによって構成した燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体に流入する冷媒の流入温度を測定する冷媒流入温度測定手段と、前記燃料電池構造体に供給された冷媒を複数の前記燃料電池セル群に分配する冷媒分配流路と、前記燃料電池セル群ごとのセル群電圧を測定するセル群電圧測定手段と、前記セル群電圧測定手段によって測定されたセル群電圧と、前記冷媒流入温度測定手段によって測定された冷媒の流入温度とに基づいて、前記冷媒分配流路によって分配された冷媒の前記燃料電池セル群の入口温度と出口温度との温度差であるセル群温度差を推定する制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池セル群ごとのセル群電圧と燃料電池構造体に流入する冷媒の流入温度とに基づいて燃料電池セル群の入口温度と出口温度との温度差を推定するので、燃料電池セル群ごとに温度センサを設置することなく、各燃料電池セル群の発熱状況を検知することができ、各燃料電池セル群による発熱を許容範囲内に制御することができる。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎを電気的に複数接続することによって構成した燃料電池構造体２と、燃料電池システム１を制御する制御部（制御手段）３と、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群電圧を測定するセル群電圧センサ（セル群電圧測定手段）Ｖ１〜Ｖｎと、燃料電池構造体２に冷媒である冷却水を供給する冷媒供給流路Ｌ１と、燃料電池構造体２に供給された冷却水を複数の燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに分配する冷媒分配流路Ｌ２と、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎから流出した冷却水を合流させる冷媒合流流路Ｌ３と、燃料電池構造体２から冷却水を排出する冷媒排出流路Ｌ４と、循環する冷却水を放熱して冷却する放熱器（冷媒冷却手段）４と、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ５と、冷却水循環ポンプ５を駆動するポンプアクチュエータＡ１と、燃料電池構造体２へ流入する冷却水の流入温度を測定する入口温度センサ（冷媒流入温度測定手段）Ｔ１と、燃料電池構造体２から流出した冷却水の流出温度を測定する出口温度センサ（冷媒流出温度測定手段）Ｔ２と、燃料電池構造体２から取り出された電力を適切な電力形態に変換する電力変換装置６と、燃料電池構造体２の出力電圧を測定する出力電圧センサ（出力電圧測定手段）Ｖｔとを備えている。
上述した燃料電池システム１において、燃料電池構造体２では燃料極に燃料ガスである水素ガスが供給され、酸化剤極に酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
そして、この燃料電池構造体２は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とで挟んで構成した燃料電池セルを、セパレータを介して複数積層した構造になっている。ただし、本実施形態の燃料電池構造体２は、複数の燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに分けられ、これら複数の燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎを電気的に直列に接続した構造になっている。これらの各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎには、内部に酸化剤ガスとしての空気を通過させる酸化剤ガス流路７と、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路８が設けられている。そして、コンプレッサなどの空気供給装置から酸化剤ガス流路７に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、水素タンクなどの燃料供給装置から燃料ガス流路８に燃料ガスとしての水素ガスが供給されて、燃料電池構造体２において水分を媒体として固体高分子電解質膜中をそれぞれのイオンが移動して接触し、発電が行われている。また、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎを構成する燃料電池セルの数は、１以上で燃料電池構造体２の総セル数以下の任意の数でよい。
そして、上述した反応によって燃料電池構造体２から取り出された電力は、電力変換装置６によって想定される電力負荷に対して適切な電力形態に変換され、利用可能となっている。例えば、本実施形態の燃料電池システム１が交流モータを使用した燃料電池車両用のものであれば、発電した電力を必要となる電圧及び周波数の交流に変換して電力として出力する。
また、燃料電池構造体２の発電によって発生した熱を外部に放出するために、冷却水を燃料電池構造体２に供給し、冷媒分配流路Ｌ２によって各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに分配して燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎを冷却している。燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎを冷却して吸熱した冷却水は、冷媒合流流路Ｌ３によって冷媒排出流路Ｌ４に合流されて放熱器４でシステム外部に熱を放熱して冷却される。また、冷媒供給流路Ｌ１の上流には冷却水を循環させるための冷却水循環ポンプ５が設置され、この冷却水循環ポンプ５はポンプアクチュエータＡ１によって駆動されている。
一方、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎにはそれぞれセル群電圧センサＶ１〜Ｖｎが設置され、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎによる発電反応で発生した電位差（電圧）を測定している。同様に、燃料電池構造体２には出力電圧センサＶｔが設置され、燃料電池構造体２による出力電圧を測定している。
また、冷媒供給流路Ｌ１には入口温度センサＴ１が設置され、燃料電池構造体２に流入する冷却水の流入温度を測定している。一方、冷媒排出流路Ｌ４には出口温度センサＴ２が設置され、燃料電池構造体２から流出した冷却水の流出温度を測定している。
そして、これらの電圧センサや温度センサによって検出された電圧及び温度は、センサ信号として制御部３に出力され、このセンサ信号を受信した制御部３はセル群電圧センサＶ１〜Ｖｎによって測定された電圧を燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群電圧として認識し、出力電圧センサＶｔで測定された電圧を燃料電池構造体２の出力電圧として認識する。同様に、入口温度センサＴ１及び出口温度センサＴ２によって測定された温度は、それぞれ燃料電池構造体２に流入する冷却水の流入温度及び流出温度として認識している。
制御部３は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータによって構成されており、上述した電力変換装置６やポンプアクチュエータＡ１などの各部を制御して燃料電池システム１全体としての動作を制御している。ただし、制御部３を複数のマイクロコンピュータによって構成することも可能であり、上記制御の他にも複数の制御を実行する装置として構成してもよい。
次に、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに分配された冷却水の入口温度と出口温度との温度差であるセル群温度差の算出方法について説明する。
各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群温度差は、それぞれの燃料電池セル群の発熱量と、燃料電池セル群に流入する冷却水流量と、冷却水の比熱とから決定されるので、以下の関係を満たす。
Ｑｇｎ＝Ｑｏｎ＝Ｌｎ×Ｃ×（Ｔｓｏｎ−Ｔｎｉｎ）・・・（３）
ただし、Ｑｇｎ：燃料電池セル群の発熱量、Ｑｏｎ：燃料電池セル群から持ち出される熱量、Ｌｎ：燃料電池セル群に流入する冷却水流量、Ｃ：冷却水比熱、Ｔｓｏｎ−Ｔｎｉｎ：セル群温度差となる。
ここで、各燃料電池セル群の発熱量は、理論発熱量と効率の関係から決定されるので、水素と酸素を使用した燃料電池の理論起電圧と発電電圧、発電電流から見積もることができ、
Ｑｇｎ＝Ｉ×（ＶＯｎ−Ｖｎ）×Ｎｎ・・・（４）
ただし、Ｑｇｎ：燃料電池セル群の発熱量、Ｉ：発電電流、ＶＯｎ：セル群の理論起電圧、Ｖｎ：セル群電圧、Ｎｎ：セル群のセル数となる。
同様に、燃料電池構造体２全体における熱の授受を考えると、
Ｑｇ＝Ｑｏ＝Ｌ×Ｃ×（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）・・・（５）
ただし、Ｑｇ：燃料電池構造体の総発熱量、Ｑｏ：燃料電池構造体から持ち出される熱量、Ｌ：冷却水総流量、Ｃ：冷却水比熱、Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ：燃料電池構造体の入口と出口における冷却水温度差
または、
Ｑｇ＝Ｉ×（ＶＯｎ−Ｖｔ）×Ｎ・・・（６）
ただし、Ｑｇ：燃料電池構造体の総発熱量、Ｉ：発電電流、ＶＯｎ：理論起電圧、Ｖｔ：総電圧、Ｎ：燃料電池構造体の総セル数
という関係が成り立つ。
ここで、冷却水の燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎへ流入する流入温度と燃料電池構造体２の入口における冷却水温度は、冷却水を分配しているだけなので同一であると考えられ、
Ｔｉｎ＝Ｔｎｉｎ・・・（７）
となる。
さらに、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに流入する冷却水流量は、特定のばらつきの範囲内で均等に流入していると考えられるので、
Ｌ＝Σ（Ｌｎ）・・・（８）
となる。
また、燃料電池構造体２の出力電圧は、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎによるセル群電圧の総和となるので、
Ｖｔ＝Σ（Ｖｎ）・・・（９）
となる。
これら式（３）〜（９）の関係を利用すると、
Ｔｓｏｎ−Ｔｉｎ＝ｎ（ＶＯｎ−Ｖｎ）／｛Σ（ＶＯｎ）−Ｖｔ｝×（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）・・・（１１）
によって、セル群温度差Ｔｓｏｎ−Ｔｉｎとを算出することができる。
また、Ｔｉｎが既知である場合、式（１１）から、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎから流出する冷却水の温度であるセル群流出温度Ｔｓｏｎも算出することができる。
また、式（９）の関係を使用せずに、冷却水の比熱を使用して
Ｔｓｏｎ−Ｔｉｎ＝（ＶＯｎ−Ｖｎ）×Ｉ／Ｃ／Ｌ・・・（１０）
によってセル群温度差Ｔｓｏｎ−Ｔｉｎとセル群流出温度Ｔｓｏｎとを算出してもよい。
次に、本実施形態の燃料電池システム１によるシステム制御処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。このシステム制御処理は、制御部３により所定の制御周期Ｔｃ毎に繰り返し実施されている（他の実施形態についても同じ）。
図２に示すように、まず冷却水循環ポンプ５の目標回転数Ｎｔｃｐを入力する（Ｓ１０１）。この目標回転数Ｎｔｃｐの算出方法については後述する。
次に、燃料電池構造体２への指令電力Ｐｔと、燃料電池構造体２の温度による制限電力Ｐｌｉｍを入力する（Ｓ１０２、１０３）。ただし、本実施形態では温度に関して出力制限を実施しないため、制限電力Ｐｌｉｍ＝指令電力Ｐｔとして処理を実施する。
次に、発電停止フラグｆｇｓを読み込む（Ｓ１０４）。この発電停止フラグｆｇｓは「１」のときに発電を停止し、「０」のときに発電を実施するように設定されたフラグである。この発電停止フラグｆｇｓの設定方法については後述する。
そして、指令電力Ｐｔと制限電力Ｐｌｉｍのうち小さいほうを電力変換装置６の目標取出し電力Ｐｅｉとして算出し（Ｓ１０５）、発電停止フラグｆｇｓが「０」に設定されているか否かを判断する（Ｓ１０６）。ここで、発電停止フラグｆｇｓが「０」ではなく「１」に設定されている場合には目標取出し電力Ｐｅｉを０に設定する（Ｓ１０７）。
こうして発電停止フラグｆｇｓが「０」の場合か、あるいは目標取出し電力Ｐｅｉが０に設定されると、次に冷却水循環ポンプ５の目標回転数ＮｔｃｐをポンプアクチュエータＡ１に出力し（Ｓ１０８）、目標取出し電力Ｐｅｉを電力変換装置６に出力する（Ｓ１０９）。このときステップＳ１０６において発電停止フラグｆｇｓが「０」だった場合には指令電力Ｐｔと制限電力Ｐｌｉｍのうち小さいほうが出力され、発電停止フラグｆｇｓが「１」だった場合には目標取出し電力Ｐｅｉは０となる。
こうして目標取出し電力Ｐｅｉが出力されると、次の演算周期へ移行して本実施形態の燃料電池システム１によるシステム制御処理を終了する。
次に、上述したシステム制御処理で使用される冷却水循環ポンプ５の目標回転数Ｎｔｃｐの演算処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。
図３に示すように、まず各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎの冷却水出口におけるセル群流出温度Ｔｓｏ１〜Ｔｓｏｎを入力する（Ｓ２０１）。このセル群流出温度Ｔｓｏ１〜Ｔｓｏｎの算出方法については後述する。また、セル群流出温度の代わりに上述したセル群温度差を利用してもよい。
そして、セル群流出温度の目標値Ｔｔｓｏを入力して（Ｓ２０２）セル群流出温度Ｔｓｏ１〜Ｔｓｏｎのうちの最大値をＴｓｏｎｍａｘとして求める（Ｓ２０３）。
この後、求めた最大値Ｔｓｏｎｍａｘと目標値Ｔｔｓｏとを用いてＰＩ制御などに代表されるフィードバック制御を実施して冷却水循環ポンプ５の目標回転数Ｎｔｃｐを算出して（Ｓ２０４）冷却水循環ポンプ５の目標回転数Ｎｔｃｐの演算処理を終了する。
次に、上述した目標回転数Ｎｔｃｐの演算処理で使用されるセル群流出温度Ｔｓｏｎの演算処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。
図４に示すように、まず燃料電池構造体２の出力電圧Ｖｔを出力電圧センサＶｔで測定して入力し（Ｓ３０１）、次にセル群電圧センサＶ１〜Ｖｎで測定された各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群電圧Ｖ１〜Ｖｎと基準電圧Ｖ０１〜Ｖ０ｎとを入力する（Ｓ３０２、Ｓ３０３）。ここで、基準電圧Ｖ０１〜Ｖ０ｎは燃料電池の種類とセル数によって決まる特性の代表値であり、制御定数として制御部３に記憶されている。また、燃料電池構造体２の出力電圧Ｖｔとして、ここでは出力電圧センサＶｔによって測定された値を用いているが、セル群電圧センサＶ１〜Ｖｎで測定された値を総和することによって求めてもよい。
この後、燃料電池構造体２へ流入する冷却水の流入温度Ｔｉｎを入口温度センサＴ１で測定して入力し（Ｓ３０４）、燃料電池構造体２から流出する冷却水の流出温度Ｔｏｕｔを出口温度センサＴ２で測定して入力する（Ｓ３０５）。
そして、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎの数ｎを入力し（Ｓ３０６）、入力された値を用いて次式により、燃料電池セル群Ｓｎのセル群流出温度Ｔｓｏｎを演算すると、
Ｔｓｏｎ＝ｎ（Ｖ０ｎ−Ｖｎ）／｛Σ（Ｖ０ｎ）−Ｖｔ｝×（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）＋Ｔｉｎ・・・（１２）
となる（Ｓ３０７）。
このようにして燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群流出温度Ｔｓｏ１〜Ｔｓｏｎを演算してセル群流出温度Ｔｓｏｎの演算処理を終了する。
次に、温度上昇を防止するために実施される発電停止フラグｆｇｓの設定処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。この処理は燃料電池構造体２が発電状態にある間には常に一定の時間周期で実行されている。
図５に示すように、まず各燃料電池セル群のセル群流出温度Ｔｓｏ１〜Ｔｓｏｎを入力し（Ｓ４０１）、燃料電池構造体２へ流入する冷却水の流入温度Ｔｉｎを入力する（Ｓ４０２）。ここで、セル群流出温度の代わりに上述したセル群温度差を利用してもよい。
そして、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎにおける冷却水のセル群温度差の設計上の上限値ΔＴｍａｘｎと、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎにおけるセル群流出温度の設計上の上限値Ｔｍａｘｎとを入力する（Ｓ４０３、Ｓ４０４）。
次に、入力されたセル群流出温度Ｔｓｏ１〜Ｔｓｏｎの最大値をＴｓｏｎｍａｘとして求め（Ｓ４０５）、求めた最大値Ｔｓｏｎｍａｘとセル群流出温度の上限値Ｔｍａｘｎとを比較する（Ｓ４０６）。そして、セル群流出温度の上限値Ｔｍａｘｎのほうが大きい場合には、次に最大値Ｔｓｏｎｍａｘと流入温度Ｔｉｎとの差Ｔｓｏｎｍａｘ−Ｔｉｎをセル群温度差の上限値ΔＴｍａｘｎと比較する（Ｓ４０７）。ここで、セル群温度差の上限値ΔＴｍａｘｎのほうが大きい場合には発電停止フラグｆｇｓを「０」に設定して（Ｓ４０８）発電停止フラグｆｇｓの設定処理を終了する。
一方、ステップＳ４０６において最大値Ｔｓｏｎｍａｘがセル群流出温度の上限値Ｔｍａｘｎより大きい場合、及びステップＳ４０７においてＴｓｏｎｍａｘ−Ｔｉｎがセル群温度差の上限値ΔＴｍａｘｎより大きい場合には発電停止フラグｆｇｓを「１」に設定して発電停止フラグｆｇｓの設定処理を終了する。
このように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎごとのセル群電圧Ｖ１〜Ｖｎと燃料電池構造体２に流入する冷媒の流入温度とに基づいて燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎの入口温度と出口温度との温度差であるセル群温度差を推定するので、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎごとに温度センサを設置することなく、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎの発熱状況を検知することができ、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎによる発熱を許容範囲内に制御することができる。これによれば、セル群ごとに温度センサを設置することによるコストアップや部品増加による信頼性の低下を招くことがなく、またセル群ごとの発熱量のばらつきを考慮して冷却水の流量を決める必要がないので、発熱量がばらついていない場合は冷却水流量を低減することが可能である。
なお、本実施形態では、上述した式（１１）をベースにセル群流出速度Ｔｓｏｎを算出したが、これに代えて、式（１０）をベースにセル群流出速度Ｔｓｏｎを算出してもよい。このケースでは、セル群電圧Ｖ１〜Ｖｎと所定電圧との電圧差に、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎの発電電流を乗算し、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに流入する冷媒の比熱と目標流量とを除算することによってセル群温度差を推定するので、予め取得した冷媒の物性などを用いてセル群温度差を推定することができ、これによってより正確にセル群温度差を推定することが可能となる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池構造体２へ流入する冷媒の流入温度と流出する冷媒の流出温度とから燃料電池構造体２における冷媒の構造体温度差を算出し、この構造体温度差と燃料電池構造体２の出力電圧Ｖｔと燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群電圧Ｖ１〜Ｖｎと燃料電池セル群の数ｎとに基づいてセル群温度差を演算するので、燃料電池構造体２における冷却水の温度差と燃料電池構造体２の出力電圧Ｖｔを用いることによって、より正確にセル群温度差を演算することが可能となる。
また、本実施形態の燃料電池システム１では、セル群電圧Ｖ１〜Ｖｎと所定電圧との電圧差を、燃料電池構造体２の出力電圧と所定電圧Ｖｔとの電圧差によって除算し、この算出結果に構造体温度差と燃料電池セル群の数ｎとを乗算してセル群温度差を演算するので、より正確にセル群温度差を演算することが可能となる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、セル群温度差が所定値より大きくなると、燃料電池構造体２による発電を停止するので、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに設計以上の熱応力がかかることを防止できる。さらに、その結果として燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎごとの発熱量のばらつきや燃料電池の経時劣化などに伴う発熱量の増加を考慮して温度マージンを設ける必要がなくなり、システムを停止させなければならない状況に陥ることを防止できる。
また、本実施形態の燃料電池システム１では、セル群温度差に基づいて冷媒の流量を制御するので、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに設計以上の熱応力がかからないように冷却水の流量を調整することができる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、セル群温度差と燃料電池構造体２に流入する冷媒の流入温度とに基づいて、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎから流出する冷媒の温度であるセル群流出温度を推定するので、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎごとに温度センサを設置することなく、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎの発熱状況を検知することができ、これによって各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎによる発熱を許容範囲内に制御することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１では、セル群流出温度が所定値より大きくなると、燃料電池構造体２による発電を停止するので、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎが設計以上の温度になることを防止できる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、セル群流出温度に基づいて冷媒の流量を制御するので、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎが設計以上の温度にならないように冷却水の流量を調整することできる。
また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎごとに測定されたセル群電圧の総和を算出することによって燃料電池構造体２の出力電圧を算出するので、燃料電池構造体２の出力電圧を測定する出力電圧センサＶｔを設置しなくてもシステムの制御を実施することが可能となる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎを構成する燃料電池セルの数は、１以上で燃料電池構造体２の総セル数以下の任意の数なので、セル群のセル数を１に設定することで、燃料電池セル群だけでなく各セル単位で、冷却水のセル群温度差を推定することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。また、図２で説明したシステム制御処理も同一である。
図６は、本実施形態の燃料電池システムによる冷却水循環ポンプ５の目標回転数Ｎｔｃｐの演算処理を示すフローチャートである。第１の実施形態の図３で説明した処理の代わりに実施されるものである。
図６に示すように、まず燃料電池構造体２への指令電力が入力されると（Ｓ５０１）、燃料電池構造体２への指令電力に対する冷却水循環ポンプ５の回転数演算テーブルＭ（Ｐｔ）が入力される（Ｓ５０２）。
ここで、回転数演算テーブルＭ（Ｐｔ）を図７に基づいて説明する。図７に示すように、回転数演算テーブルＭ（Ｐｔ）は燃料電池構造体２への指令電力Ｐｔに対する燃料電池構造体２の温度、及び所定温度以下に冷却するために必要となる冷却水の流量を予め設計もしくは実験的に求めておき、制御部３に記憶させておいたものである。そして、一般的に指令電力Ｐｔの上昇に比例して冷却水循環ポンプ５の回転数も上昇するので右上がりの傾向になっている。
そして、この回転数演算テーブルＭ（Ｐｔ）に指令電力Ｐｔを入力して冷却水循環ポンプ５の目標回転数Ｎｔｃｐを算出して（Ｓ５０３）、冷却水循環ポンプ５の目標回転数Ｎｔｃｐの演算処理を終了する。
また、上述した第１の実施形態では燃料電池構造体２の制限電力Ｐｌｉｍ＝指令電力Ｐｔとして処理を実施していたが、本実施形態の燃料電池システムでは燃料電池構造体２の制限電力Ｐｌｉｍを算出する。図８は、本実施形態の燃料電池システムによる燃料電池構造体２の制限電力Ｐｌｉｍの演算処理を示すフローチャートである。
図８に示すように、まず燃料電池構造体２へ流入する冷却水の流入温度Ｔｉｎが入力され（Ｓ６０１）、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群温度差の目標値ΔＴｔｓを入力する（Ｓ６０２）。また、セル群温度差の目標値の代わりに燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎのセル群流出温度の目標値を用いてもよい。
そして、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎから流出する冷却水のセル群流出温度Ｔｓｏ１〜Ｔｓｏｎの最大値Ｔｓｏｎｍａｘが入力されると（Ｓ６０３）、この最大値Ｔｓｏｎｍａｘと流入温度Ｔｉｎとの差ΔＴｓｏｎｍａｘを求め、このΔＴｓｏｎｍａｘと目標値ΔＴｔｓとを用いてＰＩ制御などに代表されるフィードバック制御を実施することによって、燃料電池構造体２から取出し可能な上限電力である制限電力Ｐｌｉｍを算出して燃料電池構造体２の制限電力Ｐｌｉｍの演算処理を終了する。
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、セル群温度差に基づいて燃料電池構造体２による発電電力の上限値を演算するので、セル群温度差を用いて燃料電池構造体２の発電電力を調整することができ、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに設計以上の熱応力がかからないようにすることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、セル群流出温度に基づいて燃料電池構造体２による発電電力の上限値を演算するので、セル群流出温度を用いて燃料電池構造体２の発電電力を調整することができ、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎが設計以上の温度にならないようにすることが可能となる。
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図９に基づいて説明する。図９は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
図９に示すように、本実施形態の燃料電池システム９１は、放熱器４へ冷却風を送風する冷却ファン（冷媒冷却手段）９２と、冷却ファン９２を駆動するファンアクチュエータＡ２と、放熱器４をバイパスして冷却水を流すバイパス流路Ｌ５と、放熱器４側とバイパス流路Ｌ５側へ冷却水を分流する三方弁９３と、三方弁９３の開度を調整する三方弁アクチュエータＡ３とをさらに備えたことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。
本実施形態の燃料電池システム９１では、冷却ファン９２と三方弁９３を使用して放熱器４によってシステム外部に放出される熱量を調整し、これによって燃料電池構造体２の発電量に対する温度制御性の向上を目的とする。
ここで、本実施形態の燃料電池システム９１による冷却ファン及び三方弁の制御処理を図１０のフローチャートに基づいて説明する。図１０に示すように、まず燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎから流出する冷却水のセル群流出温度の目標値Ｔｔｓｏと、セル群流出温度の最大値Ｔｓｏｎｍａｘとを入力する（Ｓ７０１、Ｓ７０２）。ただし、セル群流出温度の代わりに、燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎから流出する冷却水と流入する冷却水の温度差であるセル群温度を用いてもよい。
次に、放熱器４の目標放熱量Ｑｔｏに対する三方弁９３の開度（位置）を規定した開度演算テーブルＭＶ（Ｑｔｏ）と、目標放熱量Ｑｔｏに対する冷却ファン９２の回転数を規定した回転数演算テーブルＭＨ（Ｑｔｏ）をそれぞれ入力する（Ｓ７０３、Ｓ７０４）。
ここで開度演算テーブルＭＶ（Ｑｔｏ）と回転数演算テーブルＭＨ（Ｑｔｏ）は、放熱器４に流入する冷却水の流量に対する放熱量の関係や、冷却ファン９２を回転させることによって放熱器４に当たる風量に対して放熱器４から放熱される放熱量の関係などを予め机上で検討したり、実機での確認を行なったりすることによって設計された値を制御テーブルとして、制御部３に記憶させたものである。
ここで、三方弁９３の開度演算テーブルＭＶ（Ｑｔｏ）と冷却ファン９２の回転数演算テーブルＭＨ（Ｑｔｏ）の一例を図１１及び図１２に示す。図１１に示すように、開度演算テーブルＭＶ（Ｑｔｏ）では目標放熱量が上昇するにしたがって三方弁９３の開度をバイパス流路Ｌ５側から放熱器４側へと切り替えていくように設定されている。
同様に、冷却ファン９２の回転数は、図１２に示すように目標放熱量が上昇するにしたがって上昇するように設定されている。
次に、入力されたセル群流出温度の目標値Ｔｔｓｏとセル群流出温度の最大値ＴｓｏｎｍａｘとからＰＩ制御などを用いたフィードバック演算を行うことによって放熱器４に対する目標放熱量Ｑｔｏを演算する（Ｓ７０５）。
そして、算出した目標放熱量Ｑｔｏを開度演算テーブルＭＶ（Ｑｔｏ）に入力して三方弁９３の開度を算出し（Ｓ７０６）、また目標放熱量Ｑｔｏを回転数演算テーブルＭＨ（Ｑｔｏ）に入力して冷却ファン９２の回転数を算出して（Ｓ７０７）本実施形態の燃料電池システム９１による冷却ファン及び三方弁の制御処理を終了する。
この後、制御部３が三方弁９３の開度を求めた開度になるように三方弁アクチュエータＡ３を制御して、バイパス流路Ｌ５に流入する流量と放熱器４に流入する流量の配分を制御するとともに、ファンアクチュエータＡ２を制御して冷却ファン９２の回転数が求めた回転数になるように制御する。
このように、本実施形態の燃料電池システム９１では、セル群温度差に基づいて冷却ファン９２や三方弁９３を制御するので、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎに設計以上の熱応力がかからないように制御することできる。
また、本実施形態の燃料電池システム９１では、セル群流出温度に基づいて冷却ファン９２や三方弁９３を制御するので、各燃料電池セル群Ｓ１〜Ｓｎが設計以上の温度にならないように、放熱器４からの放熱量を調整することができる。
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによるシステム制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる冷却水循環ポンプの目標回転数演算処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによるセル群流出温度の演算処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる発電停止フラグの設定処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによる冷却水循環ポンプの目標回転数演算処理を示すフローチャートである。 冷却水循環ポンプの目標回転数演算テーブルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによる燃料電池構造体の制限電力演算処理を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムによる冷却ファン及び三方弁の制御処理を示すフローチャートである。 三方弁の開度演算テーブルを示す図である。 冷却ファンの回転数演算テーブルを示す図である。
符号の説明
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池構造体
３ 制御部（制御手段）
４ 放熱器（冷媒冷却手段）
５ 冷却水循環ポンプ
６ 電力変換装置
７ 酸化剤ガス流路
８ 燃料ガス流路
９２ 冷却ファン（冷媒冷却手段）
９３ 三方弁
Ａ１ ポンプアクチュエータ
Ａ２ ファンアクチュエータ
Ａ３ 三方弁アクチュエータ
Ｌ１ 冷媒供給流路
Ｌ２ 冷媒分配流路
Ｌ３ 冷媒合流流路
Ｌ４ 冷媒排出流路
Ｌ５ バイパス流路
Ｓ１〜Ｓｎ 燃料電池セル群
Ｔ１ 入口温度センサ（冷媒流入温度測定手段）
Ｔ２ 出口温度センサ（冷媒流出温度測定手段）
Ｖ１〜Ｖｎ セル群電圧センサ（セル群電圧測定手段）
Ｖｔ 出力電圧センサ（出力電圧測定手段）

Claims (15)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池セル群を電気的に複数接続することによって構成した燃料電池構造体と、
    前記燃料電池構造体に流入する冷媒の流入温度を測定する冷媒流入温度測定手段と、
    前記燃料電池構造体に供給された冷媒を複数の前記燃料電池セル群に分配する冷媒分配流路と、
    前記燃料電池セル群ごとのセル群電圧を測定するセル群電圧測定手段と、
    前記セル群電圧測定手段によって測定されたセル群電圧と、前記冷媒流入温度測定手段によって測定された冷媒の流入温度とに基づいて、前記冷媒分配流路によって分配された冷媒の前記燃料電池セル群の入口温度と出口温度との温度差であるセル群温度差を推定する制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、前記セル群電圧と所定電圧との電圧差に、前記燃料電池セル群の発電電流を乗算し、前記燃料電池セル群に流入する冷媒の比熱と目標流量とを除算することによって、前記セル群温度差を推定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. 前記燃料電池セル群から流出した冷媒を合流させる冷媒合流流路と、
    前記冷媒合流流路によって合流され、前記燃料電池構造体から流出する冷媒の流出温度を測定する冷媒流出温度測定手段と、
    前記燃料電池構造体の出力電圧を測定する出力電圧測定手段とを備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池構造体へ流入する冷媒の流入温度と流出する冷媒の流出温度とから構造体温度差を算出し、この構造体温度差と、前記燃料電池構造体の出力電圧と、前記燃料電池セル群のセル群電圧と、前記燃料電池セル群の数とに基づいて、前記セル群温度差を演算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. 前記制御手段は、前記セル群電圧と所定電圧との電圧差を、前記出力電圧と所定電圧との電圧差によって除算し、この算出結果に前記構造体温度差と前記燃料電池セル群の数とを乗算して前記セル群温度差を演算することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御手段は、前記セル群温度差が所定値より大きくなると、前記燃料電池構造体による発電を停止することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御手段は、前記セル群温度差に基づいて冷媒の流量を制御することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御手段は、前記セル群温度差に基づいて前記燃料電池構造体による発電電力の上限値を演算することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池構造体から流出した冷媒を冷却する冷媒冷却手段を備え、
    前記制御手段は、前記セル群温度差に基づいて前記冷媒冷却手段を制御することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御手段は、前記セル群温度差と前記燃料電池構造体に流入する冷媒の流入温度とに基づいて、前記燃料電池セル群から流出する冷媒の温度であるセル群流出温度を推定することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記制御手段は、前記セル群流出温度が所定値より大きくなると、前記燃料電池構造体による発電を停止することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御手段は、前記セル群流出温度に基づいて冷媒の流量を制御することを特徴とする請求項９または請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
  12. 前記制御手段は、前記セル群流出温度に基づいて前記燃料電池構造体による発電電力の上限値を演算することを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池構造体から流出した冷媒を冷却する冷媒冷却手段を備え、
    前記制御手段は、前記セル群流出温度に基づいて前記冷媒冷却手段を制御することを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  14. 前記制御手段は、前記燃料電池セル群ごとに測定されたセル群電圧の総和を算出することによって前記燃料電池構造体の出力電圧を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記燃料電池セル群を構成する燃料電池セルの数は、１以上で、前記燃料電池構造体の総セル数以下の任意の数であることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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