JP2007257976A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】より短い時間で起動・停止を行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック４と、冷却液循環流路２１と、冷却液循環流路２１に接続され、冷却液を冷却するラジエータ１と、ラジエータ１を迂回して冷却液循環流路２１に接続されたバイパス流路２２と、ラジエータ１を通過する冷却液流量とバイパス流路２２を通過する冷却液流量との冷却液流量比を変更する三方弁９と、燃料電池スタック４およびラジエータ１に冷却液を供給する冷却液供給ポンプ３と、当該燃料電池システムの動作を制御するコントローラ３０と、を備え、コントローラ３０に、ラジエータ１の近傍の冷却液の温度と、燃料電池スタックの近傍の冷却液の温度と、三方弁９により定められる冷却液流量比と、に基づいて、当該燃料電池システムの起動または停止方法を変更する起動停止時間最適化手段を備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、熱応力による燃料電池およびラジエータの耐久性が低下することを抑制すると共に、より短い時間で起動および停止を行うことができる燃料電池システムに関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、水素を含む燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガスを電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換装置である。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。

このような燃料電池は、適切な温度に管理することで効率の良い発電を行うことができる。燃料電池を適切な温度にするために、燃料電池に冷却液を供給する冷却液ポンプ、燃料電池の熱を奪って熱くなった冷却液を冷却するためのラジエータ、並びに、冷却液がラジエータを通らないようにバイパスすることで暖機を促進させるための三方弁、等を動作させて燃料電池の温度を制御している。

例えば、特開２０００−３１５５１２号公報に開示の「燃料電池の温度調節装置」では、冷却液が流れる冷却液循環流路にラジエータを設置すると共に、このラジエータを迂回するバイパス流路を設け、ラジエータを通過する冷却液の流量とバイパス流路を流れる冷却液の流量とを三方弁の開度制御により調整するようにしている。そして、暖機時にはバイパス流路へ冷却液を多く流して暖機を促進し、また、冷却時にはラジエータに多くの冷却液を流して冷却を促進するといったように、燃料電池の温度が適正な運転温度となるように、冷却液の温度を制御している。
特開２０００−３１５５１２号公報

ところで、燃料電池の運転を停止して放置していると、燃料電池内の冷却液は暖かいままの状態である一方、外気にさらされているラジエータ内の冷却液は冷えている状態となる可能性がある。このような状態で冷却液ポンプを回転させて、冷却液をラジエータおよび燃料電池に供給すると、ラジエータ内に存在していた冷たい冷却液が燃料電池に入り、燃料電池が熱応力を受けることで耐久性が低下する可能性がある。また、ラジエータについても同様に、燃料電池内に存在していた暖かい冷却液がラジエータに入り、ラジエータが熱応力を受けることで耐久性が低下する可能性がある。

このような耐久性低下の問題に対処するために、熱応力を低下させる方法として、例えば、冷却液ポンプを回転させ始める前に、三方弁でラジエータをバイパスしておくことが公知の技術として知られている。

しかしながら、三方弁はラジエータを通る冷却液の流量とラジエータをバイパスする冷却液の流量の比を操作するため、相応のトルクが必要であり、俊敏な動作はできないこともある。そのため、燃料電池の運転停止時にラジエータをバイパスするように三方弁を動作させて、バイパスが完了するのを待っていると、燃料電池システムの停止時間が延びてしまう。また、起動時に三方弁でラジエータのバイパスが完了することを待つ場合でも、同様に、燃料電池システムの起動時間が延びてしまう。

一方、三方弁によるラジエータバイパスをしないまま冷却液ポンプを回転させ始めると、燃料電池システムの起動時間および停止時間は延びないものの、燃料電池およびラジエータが熱応力を受けるため、耐久性が低下するという問題が残る。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、熱応力による燃料電池およびラジエータの耐久性が低下することを抑制すると共に、より短い時間で起動および停止を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に循環供給される冷却液の流路である冷却液循環流路と、前記冷却液循環流路に接続され、前記燃料電池から排出された冷却液を冷却する冷却液冷却手段と、前記冷却液冷却手段を迂回して前記冷却液循環流路に接続されたバイパス流路と、前記冷却液冷却手段を通過する冷却液流量と前記バイパス流路を通過する冷却液流量との冷却液流量比を変更する冷却液流量比変更手段と、前記燃料電池および前記冷却液冷却手段に前記冷却液を供給する冷却液供給手段と、当該燃料電池システムの動作を制御するシステム制御手段と、を備え、前記システム制御手段は、前記冷却液冷却手段の近傍の冷却液の温度と、前記燃料電池の近傍の冷却液の温度と、前記冷却液流量比変更手段により定められる冷却液流量比と、に基づいて、当該燃料電池システムの起動または停止方法を変更する起動停止時間最適化手段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、起動停止時間最適化手段により、冷却液冷却手段の近傍の冷却液の温度と、燃料電池の近傍の冷却液の温度と、冷却液流量比変更手段により定められる冷却液流量比と、に基づいて、当該燃料電池システムの起動または停止方法を変更することとしており、熱応力を低下させるために、従来技術では時間を要していた冷却液流量比変更手段による冷却液の流量の比の変更を待つ時間を、より短時間で済ませることができるので、結果として、熱応力による燃料電池およびラジエータの耐久性が低下することを抑制すると共に、より短い時間で起動および停止を行うことができる燃料電池システムを実現できる。

以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック４を備える。

燃料電池スタック４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、電子は外部回路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。

燃料電池スタック４の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

なお、燃料電池スタック４には、当該燃料電池スタック４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、燃料電池スタック４を加湿するための加湿系等が接続されるが、本発明の特徴に直接的に関わる部分でないことから、公知の構成を適用するものとして、図１ではこれら構成の図示を省略している。

燃料電池スタック４は、酸化剤ガス供給系により供給される酸化剤ガスおよび燃料ガス供給系から供給される燃料ガスを用いて発電するが、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は、燃料電池スタック４を冷却して適正な運転温度に維持する必要がある。そのため、冷却系により、燃料電池スタック４に冷却液を循環供給して燃料電池スタック４の温度調整を行うようにしている。

図１に示す本実施例の燃料電池システムにおいては、冷却系として、ラジエータ（冷却液冷却手段）１、ラジエータファン２、冷却液供給ポンプ（冷却液供給手段）３、三方弁（冷却液流量比変更手段）９、冷却液循環流路２１、バイパス流路２２、燃料電池入口冷却液温度センサ５および燃料電池出口冷却液温度センサ６を備えている。

燃料電池スタック４には、この燃料電池スタック４に循環供給される冷却液の流路である冷却液循環流路２１が接続されている。また、この冷却液循環流路２１には、燃料電池スタック４によって暖められた冷却液を冷却するラジエータ１が接続されており、その近傍にはラジエータ１に送風してラジエータ１での冷却能力を変化させるラジエータファン２が設置されている。

また、冷却液循環流路２１には、ラジエータ１を迂回するようにバイパス流路２２が接続されており、冷却液循環流路２１とバイパス流路２２との分岐位置には、弁開度の変化によってラジエータ１を通過する冷却液流量とバイパス流路２２を通過する冷却液流量との比を変化させる三方弁９が設置されている。また、冷却液循環流路２１には、冷却液を循環させるための冷却液供給ポンプ３が設置されている。

そして、本実施例の燃料電池システムにおける（図示しない燃料ガス供給系、酸化剤ガス供給系および加湿系等を含む）各構成要素の動作、特に、冷却系におけるラジエータファン４の回転数や三方弁６の開度、冷却液供給ポンプ７の動作等は、コントローラ３０によって制御されるようになっている。

コントローラ（システム制御手段）３０は、例えば、Ｉ/Ｏインタフェース、プログラムメモリ、ワークメモリ、およびＣＰＵを備えたマイクロプロセッサ等で構成されている。このコントローラ３０には、燃料電池スタック４の電流値および電圧値を検出する燃料電池発電量センサ８の検知信号出力、燃料電池スタック４の入口近傍における冷却液温度を検出する燃料電池入口冷却液温度センサ５の検知信号出力、燃料電池スタック４の出口近傍における冷却液温度を検出する燃料電池出口冷却液温度センサ６の検知信号出力、外気温度を検出する外気温度センサ１０の検知信号出力、並びに、スタートスイッチ１１のＯＮ／ＯＦＦ信号出力がそれぞれ入力される。

そして、コントローラ３０は、各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御する。特に冷却系に対しては、予めラジエータファン回転数に対して決められているデューティ比となるようなＰＷＭ信号をラジエータファン２に対して出力する。また同様に、冷却液供給ポンプ７に対して、予め冷却液流量に対して決められているデューティ比となるようなＰＷＭ信号を出力する。さらに同様に、三方弁６に対して、予め三方弁開度に対して決められているデューティ比となるようなＰＷＭ信号を出力する。なお、三方弁６からコントローラ３０に対して、三方弁実開度に応じたデューティ比のＰＷＭ信号が出力されている。

図２は、本発明の燃料電池システムにおけるコントローラ３０の機能構成を示す構成図である。同図に示すように、コントローラ３０は、燃料電池入口冷却液温度検出手段２０１と、燃料電池出口冷却液温度検出手段２０２と、燃料電池近傍冷却液温度算出手段２０３と、外気温度検出手段２０４と、熱応力判断用温度差算出手段２０５と、三方弁実開度検出手段２０６と、起動・停止状態判定手段２０７と、停止完了までの発熱量推定手段２０８と、起動停止時間最適化手段３１と、冷却液供給ポンプ回転数制御手段２１５と、三方弁開度制御手段２１６と、を備えて構成されている。また、起動停止時間最適化手段３１は、調温停止判断手段２０９と、冷却液供給開始判断手段２１０と、冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１と、調温開始判断手段２１２と、起動・停止時冷却液供給ポンプ指令回転数算出手段２１３と、起動・停止時三方弁指令開度算出手段２１４と、を備えた構成である。なお、各手段はマイクロプロセッサ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものであり、各手段の概略動作は以下の通りである。

燃料電池入口冷却液温度検出手段２０１は、燃料電池入口冷却液温度センサ５の検知信号を読み取って、燃料電池スタック４の入口近傍における冷却液温度、即ち燃料電池入口冷却液温度Ｔin［℃］を得る。また、燃料電池出口冷却液温度検出手段２０２は、燃料電池出口冷却液温度センサ６の検知信号を読み取って、燃料電池スタック４の出口近傍における冷却液温度、即ち燃料電池出口冷却液温度Ｔout［℃］を得る。

また、燃料電池近傍冷却液温度算出手段２０３は、燃料電池入口冷却液温度検出手段２０１で検出した燃料電池入口冷却液温度Ｔin［℃］と、燃料電池出口冷却液温度検出手段２０２で検出した燃料電池出口冷却液温度Ｔout［℃］とに基づき、燃料電池近傍冷却液温度として燃料電池内部冷却液温度Ｔｃ［℃］を算出する。

また、外気温度検出手段２０４は、外気温度センサ１０の検知信号を読み取って、外気温Ｔamb［℃］を得る。また、熱応力判断用温度差算出手段２０５は、燃料電池近傍冷却液温度算出手段２０３で算出した燃料電池近傍冷却液温度（燃料電池内部冷却液温度Ｔｃ［℃］）と、外気温度検出手段２０４で検出した外気温Ｔamb［℃］とに基づいて熱応力判断用温度差ΔＴ［℃］を算出する。

また、三方弁実開度検出手段２０６で三方弁９から出力されるＰＷＭ信号を読み取って、三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］を得る。

また、起動・停止状態判定手段２０７は、スタートスイッチ１１からのＯＮ／ＯＦＦ信号を読み取り、燃料電池システムの状態が“起動中”、“停止中”、“起動完了”または“停止完了”の何れの状態にあるかを判定する。

また、停止完了までの発熱量推定手段２０８は、起動・停止状態判定手段２０７で判定した燃料電池システムの状態に基づいて燃料電池システムの停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］を推定する。

次に、起動停止時間最適化手段３１の各手段について説明する。まず、調温停止判断手段２０９は、三方弁実開度検出手段２０６で検出した三方弁の実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］と停止完了までの発熱量推定手段２０８で推定した燃料電池システムの停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］に基づいて、燃料電池の温度制御を停止するか継続するかを判断する。

また、冷却液供給開始判断手段２１０は、熱応力判断用温度差算出手段２０５で算出した熱応力判断用の温度差ΔＴ［℃］と三方弁実開度検出手段２０６で検出した三方弁９の実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］に基づいて第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］を算出し、第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］に基づいて冷却液の供給を開始するか開始しないかを判断する。

また、冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１は、冷却液供給開始判断手段２１０で算出した第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］に基づいて冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］を算出する。また、調温開始判断手段２１２は、冷却液供給開始判断手段２１０で判断した結果に基づいて燃料電池スタック４の温度制御を開始するか開始しないかを判断する。

また、起動・停止時冷却液供給ポンプ指令回転数算出手段２１３は、調温停止判断手段２０９で判断した結果と冷却液供給開始判断手段２１０で判断した結果と冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１で算出した冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］に基づいて冷却液供給ポンプ３の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］を算出する。

また、起動・停止時三方弁指令開度算出手段２１４は調温停止判断手段２０９で判断した結果と調温開始判断手段２１２に基づいて三方弁９の指令開度Ｄt［ｄｅｇ］を算出する。

さらに、冷却液供給ポンプ回転数制御手段２１５は、起動・停止時冷却液供給ポンプ指令回転数算出手段２１３で算出した冷却液供給ポンプ３の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］に基づいて冷却液供給ポンプ３に駆動信号を出力する。また、三方弁開度制御手段２１６は、起動・停止時三方弁指令開度算出手段２１４で算出した三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］に基づいて三方弁９に三方弁の駆動信号を出力する。

次に、本実施例の燃料電池システムの停止制御および起動制御（特に、冷却系における制御動作）の概要について、図３〜図５を参照して、従来の制御と対比させながら説明する。ここで、図３は、燃料電池システムの停止制御の時間的推移を説明するタイムチャートであり、同図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来および本実施例の制御動作である。また、図４は、燃料電池システムの起動制御時の時間的推移を説明するタイムチャートであり、同図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来および本実施例の制御動作である。また、図５は、起動制御を開始してから冷却液供給ポンプ回転開始までの時間と、三方弁によるラジエータバイパス制御の間の冷却液供給ポンプ回転数の推移を例示する説明図である。

まず、図３を参照して、従来と本実施例の燃料電池システムの停止制御を対比させながら説明する。同図（ａ）および（ｂ）に示すように、従来と本実施例の燃料電池システムの停止制御では、共に、スタートスイッチ１１がＯＦＦとなって（時刻Ｔｄ１０）から水素ガスの減圧を行い、該水素減圧終了後の時刻Ｔｄ２０からは、狭義の停止制御（ここでの停止制御は劣化を防止するために各種制御を行うものであり、先に使用している広義の全体的な停止制御とは異なる）を行い、該停止制御終了後の時刻Ｔｄ３０から時刻Ｔｄ４０までのアクチュエータ停止時間を経て、時刻Ｔｄ４０から時刻Ｔｄ５０までの駆動モータ放電完了待ち時間を経て、停止完了に至るという一連の流れを持つ。

また、熱応力による燃料電池およびラジエータの耐久性低下の問題に対処するために、熱応力を低下させるべく、上記一連の流れに並行して、ラジエータ１をバイパスするように三方弁９を動作させるバイパス制御も共に行われているが、そのバイパス制御を開始するタイミングが異なる。

従来は、水素減圧中（時刻Ｔｄ１０〜時刻Ｔｄ２０）の燃料電池スタック８の発熱量は大きいため、この期間に冷却を止めるわけにはいかず、また、停止制御（時刻Ｔｄ２０〜時刻Ｔｄ３０）の燃料電池スタック８の発熱量は相対的に小さいが、できればこの期間でも冷却を止めたくないという観点から、図３（ａ）に示すように、バイパス制御を開始するタイミングを停止制御終了後の時刻Ｔｄ３０とし、アクチュエータ停止時間と駆動モータ放電完了待ち時間を利用して、バイパス制御を行っている。

したがって、従来のバイパス制御に使える時間は、両者を合わせた時間（約２［ｓｅｃ］）に限定され、三方弁９により、ラジエータ１のみを経由した冷却液の流路状態からバイパス流路２２のみを経由した冷却液の流路状態に切り替える（バイパス制御に）要する時間（約５［ｓｅｃ］）に達しないことから、完全にバイパスしきることはできない。また、バイパス制御が完了するのを待って停止完了とすると、燃料電池システムの停止時間が延びてしまう。

本実施例では、停止制御（時刻Ｔｄ２０〜時刻Ｔｄ３０）の状況によっては、通常運転時と同等の冷却を必要としないことが多いこと、また、バイパス制御を開始しても直ぐに冷却効果が完全に無くなる訳ではないという観点から、バイパス制御を開始するタイミングを、図３（ｂ）に示すように、停止制御の状況（停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量）に基づく時刻Ｔｄ３０とし、停止制御（時刻Ｔｄ２０〜時刻Ｔｄ３０）の途中からバイパス制御を開始することで、できるだけバイパス流路２２のみを経由した冷却液の流路状態に近づくようにするものである。こうすることで、次の燃料電池システムの起動制御において、バイパス制御に要する時間をより短くすることができる。

次に、図４を参照して、従来と本実施例の燃料電池システムの起動制御を対比させながら説明する。

従来の燃料電池システムの起動制御では、図４（ａ）に示すように、まず、スタートスイッチ１１がＯＮとなって（時刻Ｔｕ１０）からラジエータ１をバイパスするように三方弁９を動作させるバイパス制御が行われ、バイパス制御終了後の時刻Ｔｕ１９に冷却液供給ポンプ３の回転を開始している。ここで、バイパス制御終了後に冷却液供給ポンプ３の回転を開始するのは、バイパス制御の途中に冷却液供給ポンプ３を回すことで、ラジエータ１や燃料電池スタック４に許容値以上の熱応力がかかってはいけないという観点からである。

また、冷却液供給ポンプ３の回転を開始した後、冷却液供給ポンプ３がＲＥＡＤＹ状態になるまでには、誤診断されないレベルの冷却液圧になっていなければならず、冷却液供給ポンプ３の回転数が所定回転数に達するまでのポンプ回転数上昇待ち時間が必要となる。したがって、冷却液供給ポンプ３が制御準備完了となるまでに、バイパス制御に要する時間とポンプ回転数上昇待ち時間とを合わせた時間が必要となる。

また、三方弁９による調温制御を開始するには、燃料電池スタック４に冷却液が流れていないと調温制御を開始できないので、冷却液供給ポンプ３の回転を開始した後、燃料電池スタック４に流れる冷却液が一定流量となるまでの調温開始待ち時間が必要となる。したがって、三方弁９が制御準備完了となるまでに、バイパス制御に要する時間と調温開始待ち時間とを合わせた時間が必要となる。

これに対して本実施例の燃料電池システムの起動制御では、図４（ｂ）に示すように、スタートスイッチ１１がＯＮとなって（時刻Ｔｕ１０）からラジエータ１をバイパスするように三方弁９を動作させるバイパス制御を行うが、時刻Ｔｕ１０からディレイ時間（第１の所定時間）ＤＬ１が経過した時刻Ｔｕ１５に冷却液供給ポンプ３の回転を開始している。ここで、ディレイ時間ＤＬ１は、スタートスイッチ１１がＯＮ時の三方弁９の開度、並びに、ラジエータ１の近傍の冷却液の温度と燃料電池スタック４の近傍の冷却液の温度との温度差に基づき可変設定されるものである。

適切にディレイ時間ＤＬ１を設定すれば、燃料電池システムの起動制御中に、三方弁９がラジエータ１のバイパスを完了させる前に冷却液供給ポンプ３の回転を開始しても、殆どラジエータ１および燃料電池スタック４には冷却液が流れ込まないため、ラジエータ１および燃料電池スタック４が受ける熱衝撃は許容できるレベルに抑えることができる。 また、冷却液供給ポンプ３の回転数変化率をディレイ時間ＤＬ１に基づき可変とすることで、冷却液供給ポンプ３の回転を開始した後のポンプ回転数上昇待ち時間を短縮している。これにより、冷却液供給ポンプ３が制御準備完了となるまでの時間は、ディレイ時間ＤＬ１と短縮されたポンプ回転数上昇待ち時間の和となって、最長のバイパス制御時間（ラジエータ１のみを経由した冷却液の流路状態からバイパス流路２２のみを経由した冷却液の流路状態に切り替えるための時間）内に収めることができる。

また、冷却液供給ポンプ３の回転を開始した後の調温開始待ち時間（ディレイ時間ＤＬ２、即ち第１の所定時間）を、冷却液供給ポンプ３の回転数変化率に基づいて可変とすることで、三方弁９が制御準備完了となるまでの時間は、ディレイ時間ＤＬ１とディレイ時間ＤＬ２の和となって、最長のバイパス制御時間内に収めることができる。

図５に示す例では、スタートスイッチ１１がＯＮとなってから三方弁９の指令デューティ比が５０〜６０［％］（三方弁９の開度がほぼ中立状態）となる時間を、冷却液供給ポンプ３の回転を開始するまでの時間、即ちディレイ時間ＤＬ１として、該ディレイ時間ＤＬ１に基づき冷却液供給ポンプ３の回転数変化率を増大させて、冷却液供給ポンプ３が制御準備完了となるまでの時間を、バイパス制御時間内に収めている。

次に、コントローラ３０による停止時および起動時における冷却系の制御動作について、図６〜図１２を参照して、具体的に説明する。

ここで、図６は、本実施例の燃料電池システムの停止時および起動時における冷却系の制御手順を説明するメインのフローチャートであり、図７は、起動中・停止中・起動完了・停止完了状態判定処理の手順を説明するサブルーチンのフローチャートであり、図８は、“起動中”の処理の手順を説明するサブルーチンのフローチャートであり、図９は、“停止中”の処理の手順を説明するサブルーチンのフローチャートである。

また、図１０は、三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］と熱応力判断用温度差ΔＴから第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］を求めるためのテーブルデータを説明する説明図であり、図１１は、冷却液供給ポンプの回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］から第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］を求めるためのテーブルデータを説明する説明図であり、図１２は、燃料電池システムの停止完了までの時間から停止完了までの燃料電池の発熱量を求めるためのテーブルデータを説明する説明図である。

まず、図６を参照して、本実施例の燃料電池システムの停止時および起動時における冷却系制御の全体フローを説明する。図６に示す制御フローは、マイクロプロセッサ等を利用したコントローラ３０の制御周期（例えば、１０［ｍｓｅｃ］）毎に実行されるものである。

まず、燃料電池入口冷却液温度検出手段２０１において、燃料電池入口冷却液温度センサ５からの検知信号に基づき燃料電池入口冷却液温度Ｔin［℃］を検出する（ステップＳ３０１）。

次に、燃料電池出口冷却液温度検出手段２０２において、燃料電池出口冷却液温度センサ６からの検知信号に基づき、燃料電池出口冷却液温度Ｔout［℃］を検出する（ステップＳ３０２）。

次に、燃料電池近傍冷却液温度算出手段２０３において、燃料電池入口冷却液温度検出手段２０１および燃料電池出口冷却液温度検出手段２０２によりそれぞれ検出した燃料電池入口冷却液温度Ｔin［℃］および燃料電池出口冷却液温度Ｔout［℃］の両者を加算して２で除算することにより、燃料電池内部冷却液温度Ｔｃ［℃］を算出する（ステップＳ３０３）。

次に、外気温度検出手段２０４において、外気温センサ１０からの検知信号に基づき外気温Ｔamb［℃］を検出する（ステップＳ３０４）。

次に、熱応力判断用温度差算出手段２０５において、燃料電池近傍冷却液温度算出手段２０３により算出した燃料電池内部冷却液温度Ｔｃ［℃］、並びに外気温度検出手段２０４により検出した外気温Ｔamb［℃］に基づき、以下の式を用いて熱応力判断用温度差ΔＴ［℃］を算出する（ステップＳ３０５）。

（数１）
ΔＴ＝｜Ｔｃ−Ｔamb｜ …（１）
次に、三方弁実開度検出手段２０６において、三方弁９から出力されるＰＷＭ信号のデューティ比に基づき、三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］を検出する（ステップＳ３０６）。

次に、起動・停止状態判定手段２０７において、後で（図７を参照して）詳細に説明する起動中・停止中・起動完了・停止完了状態判定処理を行い（ステップＳ３０７）、燃料電池システムの状態が“起動中”、“停止中”、“起動完了”または“停止完了”の何れの状態にあるかを判定する。

次に、燃料電池システムの状態が“起動中”であるか否かを判定し（ステップＳ３０８）、“起動中”であればステップＳ３０９に進んで、後で（図８を参照して）詳細に説明する“起動中”の処理を行った後にステップＳ３１０に進む。また、燃料電池システムの状態が“起動中”でなければステップＳ３１０に進む。

次に、燃料電池システムの状態が“停止中”であるか否かを判定し（ステップＳ３１０）、“停止中”であればステップＳ３１１に進んで、後で（図９を参照して）詳細に説明する“停止中”の処理を行った後にステップＳ３１０に進む。また、燃料電池システムの状態が“停止中”でなければステップＳ３１２に進む。

次に、燃料電池システムの状態が“停止完了”であるか否かを判定し（ステップＳ３１２）、“停止完了”であればステップＳ３１３に進んで、“停止完了”の処理を行った後にステップＳ３１０に進む。また、燃料電池システムの状態が“停止完了”でなければステップＳ３１４に進む。なお、“停止完了”の処理については、本発明の特徴と直接関係しないので特に記述しないが、燃料電池システムが停止した後の処理を行う。

次に、燃料電池システムの状態が“起動完了”であるか否かを判定し（ステップＳ３１２）、“起動完了”であればステップＳ３１３に進んで、“起動完了”の処理を行った後に終了する。また、燃料電池システムの状態が“起動完了”でなければ終了する。なお、“起動完了”の処理については、本発明の特徴と直接関係しないので特に記述しないが、燃料電池システムが起動した後の処理を行う。以上のステップＳ３０１〜Ｓ３１５により１制御周期での処理を終了する。

次に、図７を参照して、起動・停止状態判定手段２０７により行われる起動中・停止中・起動完了・停止完了状態判定処理の手順を説明する。

まず、スタートスイッチ１１から出力されるＯＮ／ＯＦＦ信号に基づき、スタートスイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態を検出する（ステップＳ４０１）。

次に、燃料電池システムの状態が“停止完了”で、かつ、ステップＳ４０１で検出したスタートスイッチ１１の状態が“ＯＮ”であればステップＳ４０３に進み、そうでなければステップＳ４０５に進む。

次に、燃料電池システムの状態が“停止完了”で、かつ、スタートスイッチ１１の状態が“ＯＮ”のとき、燃料電池システムの状態を“起動中”とし（ステップＳ４０３）、起動開始からの時間を計測するための起動時間タイマＴsu［ｍｓｅｃ］にゼロを代入してリセットする（ステップＳ４０４）。

次に、起動時間タイマＴsu［ｍｓｅｃ］にコントローラの制御周期［ｍｓｅｃ］（例えば１０［ｍｓｅｃ］）を加算する（ステップＳ４０５）。

次に、燃料電池システムの状態が“起動完了”で、かつ、ステップＳ４０１で検出したスタートスイッチ１１の状態が“ＯＦＦ”であればステップＳ４０７に進み、そうでなければステップＳ４０９に進む。

次に、燃料電池システムの状態が“起動完了”で、かつ、スタートスイッチ１１の状態が“ＯＦＦ”のとき、燃料電池システムの状態を“停止中”とし（ステップＳ４０７）、停止開始からの時間を計測するための停止時間タイマＴsd［ｍｓｅｃ］にゼロを代入してリセットする（ステップＳ４０８）。

次に、停止時間タイマＴsd［ｍｓｅｃ］にコントローラの制御周期［ｍｓｅｃ］（例えば１０［ｍｓｅｃ］）を加算する（ステップＳ４０９）。

次に、燃料電池システムの状態が“停止中”でかつ、停止時間タイマＴsd［ｍｓｅｃ］が、予め定めておいた停止完了時間Ｔsde［ｍｓｅｃ］に達しているか否かを判断し（ステップＳ４１０）、これら２つの条件を満たしていればステップＳ４１１に進み、そうでなければステップＳ４１２に進む。ここで、停止完了時間Ｔsde［ｍｓｅｃ］は、実験データや机上検討で、燃料電池スタック４に供給している燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止していること、並びに、燃料電池スタック４の発電が停止していること等、燃料電池システムが停止を完了するために必要な条件を全て満たすまでの時間にマージンを加えて決める。

次に、燃料電池システムの状態が“停止中”でかつ、停止時間タイマＴsd［ｍｓｅｃ］が停止完了時間Ｔsue［ｍｓｅｃ］に達しているとき、燃料電池システムの状態を“停止完了”とする（ステップＳ４１１）。

次に、燃料電池システムの状態が“起動中”でかつ、起動時間タイマＴsu［ｍｓｅｃ］が、予め定めておいた起動完了時間Ｔsue［ｍｓｅｃ］に達しているか否かを判断し（ステップＳ４１２）、これら２つの条件を満たしていればステップＳ４１３に進み、そうでなければ当該サブルーチンを終了する。ここで、起動完了時間Ｔsue［ｍｓｅｃ］は、実験データや机上検討で、燃料電池スタック４に供給している燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量が所定値以上であること、並びに、燃料電池スタック４の発電が開始されていること等、燃料電池システムを運転するために必要な条件を全て満たすまでの時間にマージンを加えて決める。

次に、燃料電池システムの状態が“起動中”でかつ、起動時間タイマＴsu［ｍｓｅｃ］が停止完了時間Ｔsue［ｍｓｅｃ］に達しているとき、燃料電池システムの状態を“起動完了”として（ステップＳ４１３）、当該サブルーチンを終了する。

なお、燃料電池システムの状態は、例えば、ワークメモリの所定アドレスの領域（当該燃料電池システムが運転停止状態にあっても不揮発であることが必要）に、現在の燃料電池システムの状態並びに前回の制御周期における燃料電池システムの状態が記憶される。したがって、ステップＳ４０３，Ｓ４０７，Ｓ４１１およびＳ４１３において、現在の燃料電池システムの状態領域が書き換えられるときは、現在の燃料電池システムの状態領域の内容を前回の制御周期における燃料電池システムの状態領域に退避させる作業も必要となる。

次に、図８を参照して、起動停止時間最適化手段３１、冷却液供給ポンプ回転数制御手段２１５および三方弁開度制御手段２１６により行われる“起動中”の処理の手順を説明する。

まず、前回の制御周期での燃料電池システムの状態が“起動中”ではなく、かつ、現在の燃料電池システムの状態が“起動中”であるか否かを判断する。これら２つの条件が満たされればステップＳ５０２に進み、そうでなければステップＳ５０５に進む。

前回の制御周期での燃料電池システムの状態が“起動中”ではなく、かつ、現在の燃料電池システムの状態が“起動中”であるときは、燃料電池システムの状態が“起動中”となって初回の制御周期であるので、以下の各パラメータを算出する。

まず、冷却液供給開始判断手段２１０において、熱応力判断用温度差算出手段２０５（ステップＳ３０５）により算出した熱応力判断用温度差ΔＴ［℃］と、三方弁実開度検出手段２０６（ステップＳ３０６）により検出した三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］とに基づいて、第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］を算出する（ステップＳ５０２）。

ここで、第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］は、上述した概略説明（図４（ｂ）参照）におけるスタートスイッチ１１がＯＮして（時刻Ｔｕ１０）から冷却液供給ポンプ３の回転を開始する（時刻Ｔｕ１５）までのディレイ時間ＤＬ１であり、具体的には、例えば図１０に示すようなテーブルデータを参照することによって、三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］と熱応力判断用温度差ΔＴに基づき可変設定する。

図１０において、横軸は三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］であり、冷却液が殆ど全てバイパス流路２２側に流れる開度（以下、バイパス全開という）から、冷却液が殆ど全てラジエータ１側に流れる開度（以下ラジエータ全開という）までの範囲を持つ。図１０のテーブルデータでは、第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］は、熱応力判断用温度差ΔＴ［℃］が小さいほど、また、三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］がバイパス全開に近いほど、短くなるように定められている。また、第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］の数値設定は、実機を用いた実験によって、ラジエータ1および燃料電池スタック4に許容値以上の熱応力がかからないように定められている。

次に、冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１において、起動完了時間Ｔsue［ｍｓｅｃ］（ステップＳ４１２の説明参照）と、冷却液供給開始判断手段２１０（ステップＳ５０２）により算出した第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］とに基づいて、冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］を算出する（ステップＳ５０３）。

ここで、冷却液供給ポンプ３の回転数変化率の算出は、以下のようにして行われる。まず、冷却液供給ポンプ３の回転数がゼロから起動時の目標回転数Ｎpmp［ｒｐｍ］に到達するまでに使える時間Ｔpwt［ｍｓｅｃ］を、次式の計算を行うことで算出する。

（数２）
Ｔpwt＝Ｔsue−Ｔ１ …（２）
次に、冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］を、起動時の目標回転数Ｎpmp［ｒｐｍ］と、該目標回転数Ｎpmp［ｒｐｍ］に到達するまでに使える時間Ｔpwt［ｍｓｅｃ］に基づいて、次式の計算を行うことで算出する。

（数３）
Ｖpmp＝（Ｎpmp／Ｔpwt）×制御周期 …（３）
なお、起動時の目標回転数Ｎpmp［ｒｐｍ］は、燃料電池スタック４が発電する際に、冷却のために最低限必要な回転数として、実機を用いた実験および机上計算から求めて設定する。

次に、冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１（ステップＳ５０３）により算出した冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］に基づいて、第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］を算出する（ステップＳ５０４）。

ここで、第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］は、上述した概略説明（図４（ｂ）参照）における冷却液供給ポンプ３の回転を開始してからの調温待ち時間（ディレイ時間ＤＬ２）であり、具体的には、例えば図１１に示すようなテーブルデータを参照することによって、冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］に基づき可変設定する。

図１１のテーブルデータでは、第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］は、冷却液供給ポンプの回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］が大きいほど、短くなるように定められている。また、第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］の数値設定は、実機を用いた実験によって、三方弁９を用いた温度制御で温度制御精度が許容値以内に抑えられる冷却液供給ポンプ３の回転数Ｎct［ｒｐｍ］を定め、机上計算によってゼロ回転からその回転数Ｎct［ｒｐｍ］に到達するために必要な時間を計算して、これを第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］として定める。

次に、起動開始から第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］が経過したか否かを判断する（ステップＳ５０５）。起動時間タイマＴsu［ｍｓｅｃ］が第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］に達していれば、ステップＳ５０６に進み、そうでなければステップＳ５０７に進む。

起動開始から第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］が経過したときには、冷却液供給ポンプの指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］を、冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１（ステップＳ５０３）により算出した冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］と起動時の目標回転数Ｎpmp［ｒｐｍ］に基づいて、次式を用いて算出し（ステップＳ５０６）、その後ステップＳ５０８に進む。

（数４）
Ｎtpmp＝ｍｉｎ（Ｎtpmp＋Ｖpmp，Ｎpmp） …（４）
また、起動開始から第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］が経過していないときには、冷却液供給ポンプの指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］をゼロにする（ステップＳ５０７）。

次に、前回の制御周期での冷却液供給ポンプ３の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］がゼロで、かつ、現在の冷却液供給ポンプ３の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］がゼロでないか否かを判断する（ステップＳ５０８）。前回の制御周期での指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］がゼロで、かつ、現在の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］がゼロでないならば、ステップＳ５０９に進み、そうでないならばステップＳ５１０に進む。

前回の制御周期での指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］がゼロで、かつ、現在の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］がゼロでないときには、冷却液供給ポンプ３の回転開始からの時間の計測を開始するため、ポンプ回転開始からのタイマＴps［ｍｓｅｃ］にゼロを代入してリセットする（ステップＳ５０９）。

また、これら２つの条件を満たさないときは、ポンプ回転開始からのタイマＴps［ｍｓｅｃ］にコントローラ３０の制御周期［ｍｓｅｃ］（例えば１０［ｍｓｅｃ］）を加算する（ステップＳ５１０）。

次に、冷却液供給ポンプ３の回転開始から第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］が経過したか否かを判断する（ステップＳ５１１）。ポンプ回転開始からのタイマＴps［ｍｓｅｃ］が第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］に達していれば、ステップＳ５１２に進み、そうでなければステップＳ５１３に進む。

冷却液供給ポンプ３の回転開始から第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］が経過したときには、燃料電池入口冷却液温度Ｔin［℃］が予め定めた目標温度Ｔt［℃］となるように、ＰＩ制御器を用いたフィードバック制御を実施し、該ＰＩ制御器の出力を三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］として算出して（ステップＳ５１２）、ステップＳ５１４に進む。

ここで、目標温度Ｔt［℃］は、燃料電池システム全体として効率が最も高くなるように、実機を用いた実験あるいは机上検討によって定める。

また、冷却液供給ポンプ３の回転開始から第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］が経過していないときには、三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］として、ラジエータ１を完全にバイパスするような開度を定める（ステップＳ５１３）。

次に、冷却液供給ポンプ３の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］となるようなデューティー比を計算し、そのデューティー比に基づいて、冷却液供給ポンプ３を駆動させるための駆動信号（ＰＷＭ信号）を出力する（ステップＳ５１４）。

次に、三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］となるようなデューティー比を計算し、そのデューティー比に基づいて、三方弁９を駆動させるための駆動信号（ＰＷＭ信号）を出力し、当該サブルーチンを終了する（ステップＳ５１５）。

次に、図９を参照して、起動停止時間最適化手段３１、冷却液供給ポンプ回転数制御手段２１５および三方弁開度制御手段２１６により行われる“停止中”の処理の手順を説明する。

まず、停止完了時間Ｔsde［ｍｓｅｃ］から停止時間タイマＴsd［ｍｓｅｃ］を減算することで、燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］を算出する（ステップＳ６０１）。

次に、ラジエータ１を完全にバイパスしている時の三方弁９の開度をＤbps［ｄｅｇ］とし、三方弁実開度検出手段２０６（ステップＳ３０６）で検出した三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］と、三方弁９の三方弁開度の変化率Ｖ3wv［ｄｅｇ／１制御周期］とに基づいて、三方弁９でラジエータ１を完全にバイパスするために必要な時間Ｔbps［ｍｓｅｃ］を次式を用いて算出する（ステップＳ６０２）。

（数５）
Ｔbps＝（｜Ｄｒ−Ｄbps｜／Ｖ3wv）×制御周期 …（５）
ここで、三方弁開度の変化率Ｖ3wv［ｄｅｇ／１制御周期］は、指令開度をステップ的に変化させた際の三方弁実開度の変化率を測定して定める。ラジエータ１を完全にバイパスしている時の三方弁９の開度Ｄbps［ｄｅｇ］は、ラジエータ１を完全にバイパスしている時の三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］を測定して定める。

次に、ステップＳ６０１で算出した燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］に基づいて、停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］を算出する（ステップＳ６０３）。

ここで、停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］は、例えば図１２に示すようなテーブルデータを参照することによって、燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］に基づき算出する。図１２のテーブルデータでは、停止完了までの燃料電池の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］は、燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］が大きいほど、小さくなるように定められている。また、停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］の数値設定は、実機を用いた実験によって、燃料電池システムが停止するまでの燃料電池スタック４の発電量を計測し、机上計算で発熱量を算出して定める。

具体的には、実験で燃料電池システムの停止制御中の燃料電池スタック４の出力電流Ｉfc［Ａ］と出力電圧Ｖfc［Ｖ］の時系列データを取得し、次式にこれら出力電流Ｉfc［Ａ］および出力電圧Ｖfc［Ｖ］を代入して、燃料電池スタック４の発熱量Ｑfc［Ｗ］の時系列データを計算しておく。次に、所定の時間Ｔf［ｍｓｅｃ］からシステム停止が完了した時間Ｔend［ｍｓｅｃ］までの発熱量Ｑfc［Ｗ］を積分することで、所定時間Ｔf［ｍｓｅｃ］における停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］を得る。

（数６）
Ｑfc＝（−ΔＨ×Ｎ／２Ｆ−Ｖfc）×Ｉfc …（６）
ここで、Ｑfc：燃料電池スタック４の発熱量［Ｗ］
ΔＨ：燃料電池反応前後でのエンタルピ変化量［Ｊ／ｍｏｌ］
「Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ」の燃料電池反応では、ΔＨHHV＝-285840［Ｊ／ｍｏｌ］
と、ΔＨLHV＝-241830［Ｊ／ｍｏｌ］の2種類が考えられる。

Ｆ：ファラデー定数[C/mol]
１［ｍｏｌ］の電子がもつ電荷量（96485［Ｃ／ｍｏｌ］）
Ｎ：燃料電池スタック４に積層した燃料電池セルの枚数［−］
Ｖfc：燃料電池スタック４の出力電圧［Ｖ］
Ｉfc：燃料電池スタック４の出力電流［Ａ］
次に、ステップＳ６０１で算出した燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］よりも、ステップＳ６０２で算出した三方弁９でラジエータ１を完全にバイパスするために必要な時間Ｔbps［ｍｓｅｃ］が長いか否かを判断する（ステップＳ６０４）。燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］よりも三方弁９でラジエータ１を完全にバイパスするために必要な時間Ｔbps［ｍｓｅｃ］の方が長ければステップＳ６０５に進み、そうでなければステップＳ６１０に進む。

ステップＳ６０４において、燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］よりも三方弁９でラジエータ１を完全にバイパスするために必要な時間Ｔbps［ｍｓｅｃ］の方が長いときには、予め値を定めている許容発熱量積算値Ｑa［ｋＷｈ］よりもステップＳ６０３で算出した停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］が大きいか否かを判断する（ステップＳ６０５）。許容発熱量積算値Ｑa［ｋＷｈ］よりも停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］の方が大きければステップＳ６０６に進み、そうでなければステップＳ６０８に進む。

ステップＳ６０５において、許容発熱量積算値Ｑa［ｋＷｈ］よりも停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］が大きいときには、燃料電池入口冷却液温度Ｔin［℃］が予め定めた目標温度Ｔt［℃］となるように、ＰＩ制御器を用いたフィードバック制御を実施し、該ＰＩ制御器の出力を三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］として算出する（ステップＳ６０６；ステップＳ５１２と同様）。

そして、冷却液供給ポンプの指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］を、冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１（ステップＳ５０３）により算出した冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］と起動時の目標回転数Ｎpmp［ｒｐｍ］に基づき算出し（ステップＳ６０７；ステップＳ５０６と同様）、その後ステップＳ６１５に進む。

ステップＳ６０５において、停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］が許容発熱量積算値Ｑa［ｋＷｈ］未満のときには、三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］として、ラジエータ１を完全にバイパスするような開度を定め（ステップＳ６０８；ステップＳ５１３と同様）、冷却液供給ポンプの指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］をゼロにし（ステップＳ６０９；ステップＳ５０７と同様）、その後ステップＳ６１５に進む。

また、ステップＳ６０４において、三方弁９でラジエータ１を完全にバイパスするために必要な時間Ｔbps［ｍｓｅｃ］が燃料電池システムの停止完了までの時間Ｔf［ｍｓｅｃ］に達していないときには、ステップＳ６０３で算出した停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］がゼロか否かを判断する（ステップＳ６１０）。停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］がゼロならばステップＳ６１１に進み、そうでなければステップＳ６１３に進む。

ステップＳ６１０において、停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］がゼロのときには、燃料電池入口冷却液温度Ｔin［℃］が予め定めた目標温度Ｔt［℃］となるように、ＰＩ制御器を用いたフィードバック制御を実施し、該ＰＩ制御器の出力を三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］として算出して（ステップＳ６１１；ステップＳ５１２と同様）、冷却液供給ポンプの指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］を、冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段２１１（ステップＳ５０３）により算出した冷却液供給ポンプ３の回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］と起動時の目標回転数Ｎpmp［ｒｐｍ］に基づき算出し（ステップＳ６１２；ステップＳ５０６と同様）、その後ステップＳ６１５に進む。

ステップＳ６１０において、停止完了までの燃料電池スタック４の発熱量積算値Ｑstp［ｋＷｈ］がゼロでないときには、三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］として、ラジエータ１を完全にバイパスするような開度を定め（ステップＳ６１３；ステップＳ５１３と同様）、冷却液供給ポンプの指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］をゼロにして（ステップＳ６１４；ステップＳ５０７と同様）、その後ステップＳ６１５に進む。

次に、冷却液供給ポンプ３の指令回転数Ｎtpmp［ｒｐｍ］となるようなデューティー比を計算し、そのデューティー比に基づいて、冷却液供給ポンプ３を駆動させるための駆動信号（ＰＷＭ信号）を出力する（ステップＳ６１５）。

次に、三方弁指令開度Ｄt［ｄｅｇ］となるようなデューティー比を計算し、そのデューティー比に基づいて、三方弁９を駆動させるための駆動信号（ＰＷＭ信号）を出力し、当該サブルーチンを終了する（ステップＳ６１６）。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック４と、燃料電池スタック４に循環供給される冷却液の流路である冷却液循環流路２１と、冷却液循環流路２１に接続され、燃料電池スタック４から排出された冷却液を冷却するラジエータ（冷却液冷却手段）１と、冷却液冷却手段を迂回して前記冷却液循環流路に接続されたバイパス流路２２と、ラジエータ１を通過する冷却液流量とバイパス流路２２を通過する冷却液流量との冷却液流量比を変更する三方弁（冷却液流量比変更手段）９と、燃料電池スタック４およびラジエータ１に冷却液を供給する冷却液供給ポンプ（冷却液供給手段）３と、当該燃料電池システムの動作を制御するコントローラ（システム制御手段）３０と、を有することを特徴とする燃料電池システムにおいて、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１により、ラジエータ１の近傍の冷却液の温度と、燃料電池スタック４の近傍の冷却液の温度と、三方弁９により定められる冷却液流量比と、に基づいて、当該燃料電池システムの起動または停止方法を変更する。

これにより、熱応力を低下させるために、従来技術では時間を要していた三方弁９による冷却液の流量の比の変更を待つ時間を、より短時間で済ませることができるので、結果として、熱応力による燃料電池スタック４およびラジエータ１の耐久性が低下することを抑制すると共に、より短い時間で起動および停止を行うことができる燃料電池システムを実現できる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１に、当該燃料電池システムの停止制御中に、燃料電池スタック４の温度制御を停止可能か否かの判断を行う調温停止判断手段２０９を備え、該調温停止判断手段２０９により温度制御を停止可能と判断されたとき、冷却液の流路を三方弁９によりバイパス流路２２を経由した流路とするバイパス制御を開始する。

従来の技術では、ラジエータ１を三方弁９によってバイパスしないまま、冷却液供給ポンプ３によって冷却液を燃料電池スタック４またはラジエータ１に供給してしまうと、燃料電池スタック４またはラジエータ１に熱応力がかかってしまうため、この熱応力を避けるために、燃料電池システムの起動制御時に三方弁９によってラジエータ１をバイパスするバイパス制御の完了を待ってから冷却液供給ポンプ３によって冷却液を燃料電池スタック４またはラジエータ１に供給していた。

これに対して本実施例では、燃料電池システムの起動制御時に、三方弁９によるバイパス制御の完了を待つ時間をできるだけ減らすために、燃料電池システムの停止制御の際に、調温停止判断手段２０９で燃料電池スタック４の温度制御を停止可能と判断できれば、三方弁９によりラジエータ１のバイパスを開始するので、燃料電池スタック４の発電が停止するのを待つことなくラジエータ１をバイパスさせ始めることができるため、燃料電池システムの停止制御中に、より大きくラジエータ１をバイパスさせることができ、次回の起動制御時にラジエータ１をバイパスし終わるまでの時間が短くなるため、起動時間を短くすることができる。また、燃料電池システムの停止完了と三方弁９によるバイパス制御の完了は独立しており、燃料電池システムが停止完了した際に、三方弁９によるバイパスが完了している必要はないため、本実施例を適用しても停止時間が延びることはない。

また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１により、当該燃料電池システムの停止制御中に、三方弁９により定められる冷却液流量比と、該冷却液流量比の変化速度と、当該燃料電池システムの停止制御完了までの時間に基づいて、燃料電池スタック４の発電量がゼロとなった後に、冷却液の流路を三方弁９によりバイパス流路２２を経由した流路とするバイパス制御を開始しても、当該燃料電池システムの停止制御完了までに完全に該バイパス制御を完了することができると判断される場合には、燃料電池スタック４の発電量がゼロとなった後に、バイパス制御を開始する。また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１により、当該燃料電池システムの停止制御中に、三方弁９により定められる冷却液流量比と、該冷却液流量比の変化速度と、当該燃料電池システムの停止制御完了までの時間に基づいて、燃料電池スタック４の発電量がゼロとなった後に、冷却液の流路を三方弁９によりバイパス流路２２を経由した流路とするバイパス制御を開始すると、当該燃料電池システムの停止制御完了までに完全に該バイパス制御を完了することができないと判断される場合には、調温停止判断手段２０９により温度制御を停止可能と判断された時にバイパス制御を開始する。

これにより、燃料電池スタック４が発電中に三方弁９を用いた温度制御を停止する機会を減らすことができ、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０に、当該燃料電池システムの停止制御中に、現時点から当該燃料電池システムの停止制御が完了するまでの燃料電池スタック４の発熱量を推定する停止完了までの発熱量推定手段２０８を備え、コントローラ３０の調温停止判断手段２０９は、停止完了までの発熱量推定手段２０８による発熱量推定値が所定値を下回ったときに、燃料電池スタック４の温度制御を停止可能と判断する。これにより、燃料電池スタック４が発電中に三方弁９を用いた温度制御を停止する場合でも、燃料電池スタック４の寿命低下を抑えることができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１に、当該燃料電池システムの起動制御中に、燃料電池スタック４およびラジエータ１へ冷却液を供給開始可能か否かの判断を行う冷却液供給開始判断手段２１０を備え、該冷却液供給開始判断手段２１０により冷却液を供給開始可能と判断されたとき、冷却液供給ポンプ３により燃料電池スタック４およびラジエータ１へ冷却液を供給する制御を開始する。これにより、三方弁９によるラジエータ１のバイパス制御が完了していなくても冷却液の供給を開始できるので、燃料電池システムの起動制御時間を短くすることができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、冷却液供給開始判断手段２１０により、当該燃料電池システムの起動制御を開始してから第１の所定時間が経過した時に、燃料電池スタック４およびラジエータ１へ冷却液を供給開始可能と判断する。これにより、起動完了までの時間と照らし合わせて確実に起動時間を短くすることができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、冷却液供給開始判断手段２１０により、ラジエータ１の近傍の冷却液の温度と、燃料電池スタック４の近傍の冷却液の温度との温度差が小さいほど、また、ラジエータ１を通過する冷却液流量よりもバイパス流路２２を通過する冷却液流量が多いほど、第１の所定時間を短く設定する。これにより、状況に応じて第１の所定時間を決めることができ、燃料電池スタック４やラジエータ１への熱応力を抑えながら、起動時間を短くすることができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１により、第１の所定時間が短いほど、冷却液供給ポンプ３により冷却液の供給を開始した際の該冷却液の流量が増加する速度を小さくする。これにより、冷却液供給ポンプ３の負荷を小さくすることができ、冷却液供給ポンプ３の寿命を延ばすことができる。

また、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１により、前記冷却液供給手段により冷却液の供給が開始されてから第２の所定時間が経過した時に、三方弁９による燃料電池スタック４の温度制御を開始する。このように、冷却液が供給されていない時に温度制御を実施することで、温度制御精度が低下することを防止することができる。

またさらに、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ３０の起動停止時間最適化手段３１により、冷却液供給ポンプ３により冷却液の供給を開始した際の冷却液の流量が増加する速度が速いほど、第２の所定時間を短く設定する。これにより、温度制御精度の低下することを防止しながら、可能な限り第２の所定時間を短くすることができる。

本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の燃料電池システムにおけるコントローラ３０の機能構成を示す構成図である。 燃料電池システムの停止制御の時間的推移を説明するタイムチャートであり、同図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来および本実施例の制御動作である。 燃料電池システムの起動制御時の時間的推移を説明するタイムチャートであり、同図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来および本実施例の制御動作である。 起動制御を開始してから冷却液供給ポンプ回転開始までの時間と、三方弁によるラジエータバイパス制御の間の冷却液供給ポンプ回転数の推移を例示する説明図である。 実施例の燃料電池システムの停止時および起動時における冷却系の制御手順を説明するメインのフローチャートである。 起動中・停止中・起動完了・停止完了状態判定処理の手順を説明するサブルーチンのフローチャートである。 “起動中”の処理の手順を説明するサブルーチンのフローチャートである。 “停止中”の処理の手順を説明するサブルーチンのフローチャートである。 三方弁実開度Ｄｒ［ｄｅｇ］と熱応力判断用温度差ΔＴから第１の所定時間Ｔ１［ｍｓｅｃ］を求めるためのテーブルデータを説明する説明図である。 冷却液供給ポンプの回転数変化率Ｖpmp［ｒｐｍ／１制御周期］から第２の所定時間Ｔ２［ｍｓｅｃ］を求めるためのテーブルデータを説明する説明図である。 燃料電池システムの停止完了までの時間から停止完了までの燃料電池の発熱量を求めるためのテーブルデータを説明する説明図である。

符号の説明

１ ラジエータ（冷却液冷却手段）
２ ラジエータファン
３ 冷却液供給ポンプ（冷却液供給手段）
４ 燃料電池スタック（燃料電池）
５ 燃料電池入口冷却液温度センサ
６ 燃料電池出口冷却液温度センサ
８ 燃料電池発電量センサ
９ 三方弁（冷却液流量比変更手段）
１０ 外気温度センサ
１１ スタートスイッチ
２１ 冷却液循環流路
２２ バイパス流路
３０ コントローラ（システム制御手段）
３１ 起動停止時間最適化手段
２０１ 燃料電池入口冷却液温度検出手段
２０２ 燃料電池出口冷却液温度検出手段
２０３ 燃料電池近傍冷却液温度算出手段
２０４ 外気温度検出手段
２０５ 熱応力判断用温度差算出手段
２０６ 三方弁実開度検出手段
２０７ 起動・停止状態判定手段
２０８ 停止完了までの発熱量推定手段
２０９ 調温停止判断手段
２１０ 冷却液供給開始判断手段
２１１ 冷却液供給ポンプ回転数変化率算出手段
２１２ 調温開始判断手段
２１３ 起動・停止時冷却液供給ポンプ指令回転数算出手段
２１４ 起動・停止時三方弁指令開度算出手段
２１５ 冷却液供給ポンプ回転数制御手段
２１６ 三方弁開度制御手段

Claims (11)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に循環供給される冷却液の流路である冷却液循環流路と、
   前記冷却液循環流路に接続され、前記燃料電池から排出された冷却液を冷却する冷却液冷却手段と、
   前記冷却液冷却手段を迂回して前記冷却液循環流路に接続されたバイパス流路と、
   前記冷却液冷却手段を通過する冷却液流量と前記バイパス流路を通過する冷却液流量との冷却液流量比を変更する冷却液流量比変更手段と、
   前記燃料電池および前記冷却液冷却手段に前記冷却液を供給する冷却液供給手段と、
   当該燃料電池システムの動作を制御するシステム制御手段と、を有し、
   前記システム制御手段は、前記冷却液冷却手段の近傍の冷却液の温度と、前記燃料電池の近傍の冷却液の温度と、前記冷却液流量比変更手段により定められる冷却液流量比と、に基づいて、当該燃料電池システムの起動または停止方法を変更する起動停止時間最適化手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記起動停止時間最適化手段は、当該燃料電池システムの停止制御中に、前記燃料電池の温度制御を停止可能か否かの判断を行う調温停止判断手段を有し、該調温停止判断手段により温度制御を停止可能と判断されたとき、前記冷却液の流路を前記冷却液流量比変更手段により前記バイパス流路を経由した流路とするバイパス制御を開始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. 前記起動停止時間最適化手段は、当該燃料電池システムの停止制御中に、前記冷却液流量比変更手段により定められる冷却液流量比と、該冷却液流量比の変化速度と、当該燃料電池システムの停止制御完了までの時間に基づいて、前記燃料電池の発電量がゼロとなった後に、前記冷却液の流路を前記冷却液流量比変更手段により前記バイパス流路を経由した流路とするバイパス制御を開始しても、当該燃料電池システムの停止制御完了までに完全に該バイパス制御を完了することができると判断される場合には、前記燃料電池の発電量がゼロとなった後に、前記バイパス制御を開始することを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
4. 前記起動停止時間最適化手段は、当該燃料電池システムの停止制御中に、前記冷却液流量比変更手段により定められる冷却液流量比と、該冷却液流量比の変化速度と、当該燃料電池システムの停止制御完了までの時間に基づいて、前記燃料電池の発電量がゼロとなった後に、前記冷却液の流路を前記冷却液流量比変更手段により前記バイパス流路を経由した流路とするバイパス制御を開始すると、当該燃料電池システムの停止制御完了までに完全に該バイパス制御を完了することができないと判断される場合には、前記調温停止判断手段により温度制御を停止可能と判断された時に前記バイパス制御を開始することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記システム制御手段は、当該燃料電池システムの停止制御中に、現時点から当該燃料電池システムの停止制御が完了するまでの前記燃料電池の発熱量を推定する停止完了までの発熱量推定手段を有し、
   前記調温停止判断手段は、前記停止完了までの発熱量推定手段による発熱量推定値が所定値を下回ったときに、前記燃料電池の温度制御を停止可能と判断することを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記起動停止時間最適化手段は、当該燃料電池システムの起動制御中に、前記燃料電池および前記冷却液冷却手段へ前記冷却液を供給開始可能か否かの判断を行う冷却液供給開始判断手段を有し、該冷却液供給開始判断手段により前記冷却液を供給開始可能と判断されたとき、前記冷却液供給手段により前記燃料電池および前記冷却液冷却手段へ前記冷却液を供給する制御を開始することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記冷却液供給開始判断手段は、当該燃料電池システムの起動制御を開始してから第１の所定時間が経過した時に、前記燃料電池および前記冷却液冷却手段へ前記冷却液を供給開始可能と判断することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記冷却液供給開始判断手段は、前記冷却液冷却手段の近傍の冷却液の温度と、前記燃料電池の近傍の冷却液の温度との温度差が小さいほど、また、前記冷却液冷却手段を通過する冷却液流量よりも前記バイパス流路を通過する冷却液流量が多いほど、前記第１の所定時間を短く設定することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記起動停止時間最適化手段は、前記第１の所定時間が短いほど、前記冷却液供給手段により前記冷却液の供給を開始した際の該冷却液の流量が増加する速度を小さくすることを特徴とする請求項７または請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記起動停止時間最適化手段は、前記冷却液供給手段により前記冷却液の供給が開始されてから第２の所定時間が経過した時に、前記冷却液流量比変更手段による前記燃料電池の温度制御を開始することを特徴とする請求項６〜請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記起動停止時間最適化手段は、前記冷却液供給手段により前記冷却液の供給を開始した際の該冷却液の流量が増加する速度が速いほど、前記第２の所定時間を短く設定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。

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